Наверное, каждый человек сумеет отличить один от другого наиболее распространенные металлы. Тут уж мы не ошибемся. Красную пластинку уверенно назовем медью, а легкую серебристую — алюминием. О железе и говорить нечего. Его мы узнаем и по внешнему виду, и по крепости, и по весу... А между тем, когда мы, указывая на металлические изделия, говорим «железо», «медь», «алюминий», «свинец», то ошибаемся самым решительным образом. Никогда еще ни одному человеку не удалось взять в руки металл, который, без той или иной натяжки, можно назвать элементом из таблицы Менделеева. И очень не скоро удастся. Может быть, лет через сто, а может, и через тысячу. Пока что мы в своем обиходе пользуемся не чистыми металлами, а сплавами. Иными словами, смесью из двух или нескольких компонентов. Хорошо это или плохо?
Однозначно ответить на этот вопрос нельзя. Раньше, вплоть до нашего столетия, можно было, пожалуй, сказать, что хорошо. Сейчас инженеры говорят — и хорошо, и плохо. А в будущем, возможно, будут категорически утверждать — плохо. В чем же тут дело? В том, что чистые (или почти чистые) металлы обладают в ряде случаев одними свойствами, а их сплавы — совсем другими.
Вот, например, чистое железо — очень мягкий металл. Ножом, сделанным из него, не обстругаешь даже деревянную палочку: лезвие тут же затупится. Кому нужен такой материал? К счастью, человек с самого начала имел дело не с чистым железом, а с его сплавами с углеродом и с другими веществами. А из сплавов, как оказалось, можно получить множество материалов с самыми разнообразными свойствами, в том числе и такими, каких нет ни у одного из компонентов. Например, магнитный сплав из совершенно немагнитных материалов, или сплав, который практически не меняет своих размеров при охлаждении или нагревании и т. д. Но это, так сказать, не совсем обычные свойства. А обычные состоят в том, что сплав может быть в 10—20 раз прочнее основного металла, или его температура плавления может быть намного выше или ниже...
Что касается прочности, то всем ясно, насколько это важно. Ну, а температура плавления? Представьте себе такую картину. Вы сели в автомобиль, завели двигатель, поехали. И вдруг — взрыв, треск, удар: мотор вышел из строя. Оказалось, что расплавились поршни, не выдержали температуры, которую развивает сгорающий в цилиндрах бензин. Разумеется, такого не бывает. Но для этого ученым пришлось подобрать для поршней специальные алюминиевые сплавы, которые хорошо выдерживают ударные нагрузки при высокой температуре. Такие сплавы созданы. А вот для ракетных двигателей, как мы уже говорили, подобрать подходящие сплавы пока еще не удалось. И когда конструкторы создают новые виды изделий, они обязательно указывают, при каких нагрузках и температурах эти изделия должны будут работать. А ученые-металловеды подбирают такие сплавы из двух или нескольких компонентов, которые отвечали бы поставленным требованиям.
Иногда сплавы составляются так, чтобы «работали» все качества компонентов. Вот, например, сплав свинец-олово-сурьма. Первые два компонента мягкие, третий — твердый. Взаимоисключающие свойства. А из этого сплава делают подшипники, потому что он, во-первых, хорошо сопротивляется истиранию (сурьма), что обеспечивает изделиям долгую жизнь, а во-вторых, легко прирабатывается и получает гладкую скользящую поверхность (свинец, олово), что уменьшает трение.
Сейчас научились создавать сплавы таких металлов, которые в расплавленном состоянии совершенно не смешиваются друг с другом. Как, скажем, вода с маслом. Это сплавы железо-свинец, железо-висмут и другие. Их получают методом порошковой металлургии: сначала металлы растирают в порошок, а потом спекают вместе при высокой температуре.
Очень долго считались хрупкими и некоторые другие металлы — хром, молибден, вольфрам, тантал, висмут, цирконий и т. д. Однако так было до тех пор, пока не научились их получать в достаточно чистом виде. Как только это удалось, оказалось, что эти металлы очень пластичны даже при низких температурах. Кроме того, они не ржавеют и обладают еще целым рядом ценных свойств. Теперь эти металлы широко применяются в различных отраслях промышленности.
Но что же такое — чистый металл? Оказывается, на это тоже нельзя дать однозначного ответа. Условно по чистоте металлы делятся на три группы — технически чистые, химически чистые и особо чистые. Если сплав содержит не менее 99,9 процента основного металла — это техническая чистота. От 99,9 до 99,99 процента — химическая чистота. Если же 99,999 и более — это особо чистый металл. В обиходе ученые применяют и другое определение чистоты — по количеству девяток после запятой. Говорят: «чистота три девятки», «чистота пять девяток» и т. д.
Поначалу промышленность вполне удовлетворяли химически, а часто даже и технически чистые металлы. Но научно-техническая революция предъявила гораздо более жесткие требования. Первые заказы на сверхчистые металлы поступили от атомной промышленности. Десятитысячные, а порой и миллионные доли процента некоторых примесей делали негодными уран, торий, бериллий, графит. Получение сверхчистого урана было, пожалуй, главной трудностью при создании атомной бомбы.
Затем предъявила свои требования реактивная техника. Сверхчистые металлы потребовались для получения особо жаропрочных и жаростойких сплавов, которые должны были работать в камерах сгорания реактивных самолетов и ракет. Не успели металлурги справиться с этим заданием, как поступила новая «заявка» — на полупроводники. Эта задача была потруднее — во многих полупроводниковых материалах количество примесей не должно превышать миллионной доли процента! Пусть эта мизерная величина не смущает вас. Даже и при такой чистоте, где один атом примеси приходится на 100 000 000 000 атомов основного вещества, в каждом его грамме все еще содержится более 100 000 000 000 «чужих» атомов. Так что это далеко не идеальная чистота. Впрочем, абсолютной чистоты и не бывает. Это идеал, к которому надо стремиться, но достичь которого на данном уровне развития техники невозможно. Даже если чудом и удастся получить абсолютно чистый металл, то в него тут же проникнут атомы других веществ, содержащихся в воздухе.
Показателен в этом отношении курьезный случай, происшедший со знаменитым немецким физиком Вернером Гейзенбергом. Он работал с масс-спектрографом в своей лаборатории. И вдруг прибор показал в подопытном веществе наличие атомов золота. Ученый изумился, поскольку этого никак не могло быть. Но прибор упорно «стоял на своем». Недоразумение разъяснилось лишь тогда, когда ученый снял и спрятал свои очки в золотой оправе. Отдельные атомы золота, «вырвавшиеся» из кристаллической решетки оправы, попали в исследуемое вещество и «смутили» исключительно чувствительный прибор.
А ведь это происходило в лаборатории, где воздух чист. Что же говорить о современных промышленных районах, воздух которых все больше и больше загрязняется отходами производства?
Мы начали эту главу с разговора о том, что в одном случае наличие посторонних примесей в металле — это хорошо, а в другом — плохо. Более того, сначала мы говорили, что сплавы имеют лучшую прочность и жаростойкость, чем чистые металлы, а теперь, оказывается, чистые металлы обладают самыми высокими свойствами. Противоречия никакого нет. Во многих случаях сплав более прочен, более жаростоек и т. д., чем любой из металлов, входящих в его состав. Но эти качества усиливаются многократно, когда все компоненты сплава выполняют определенную, необходимую для человека задачу. Когда в нем нет ничего «лишнего». А это значит, что сами компоненты должны быть как можно более чистыми, содержать в себе минимальное количество «посторонних» атомов. Поэтому сейчас вопрос о чистоте получаемых металлургических продуктов приобретает все большую и большую остроту. Как же решают эту проблему?
На металлургических заводах, где производят большое количество металла, идущего на обычные изделия, все шире применяется вакуум. В вакууме металл плавят и разливают, и это дает возможность предохранить его от попадания вредных газов и молекул других веществ из окружающего воздуха. А в некоторых случаях плавку ведут в атмосфере нейтрального газа, что еще больше предохраняет металл от нежелательного «проникновения».
Тот из вас, кто видел металлургические печи, несомненно, задумается: а как можно такую громадину окружить герметическим колпаком, не пропускающим воздух? Да, это очень трудно и неудобно, а главное — очень дорого. И все же на это идут, лишь бы получить качественный металл. Но вот не так давно советские ученые нашли новый, гораздо более удобный и дешевый способ применения вакуума. Он называется внепечным вакуумированием и в последние годы получает большое распространение во всем мире. Сталь, сваренную в обычной, не окруженной колпаком печи, выливают в ковш, а затем этот ковш помещают в камеру, из которой откачивается воздух. Над ковшом образуется разреженное пространство, куда устремляются все растворенные в металле газы. Этот простой и дешевый способ дает очень неплохие результаты. Разумеется, сверхчистые металлы так не получишь, но ведь они не всегда и нужны.
Ну, а как получают металлы высокой чистоты? Для этого есть несколько способов. Расскажем об одном из них — методе зонной плавки, впервые осуществленном в нашей стране в 1956 году.
Он основан на очень любопытном явлении природы. Когда жидкий расплав начинает затвердевать, то чистое вещество кристаллизуется сначала, а все примеси — в последнюю очередь. Поэтому лед, образовавшийся из морской воды, почти пресный: сначала затвердевает чистая вода, получившийся лед всплывает, а рассол остается внизу. Вот так и при зонной плавке. Стержень металла, который надо очистить, укрепляется в вакуумной камере в специальных зажимах, а потом вдоль него начинает медленно перемещаться кольцевая нагревательная высокочастотная электропечь. Она расплавляет узкий участок стержня, и эта расплавленная зона, в которую переходят все примеси из металла, передвигается вслед за печью. Когда расплавленная зона доходит до конца стержня, примеси здесь и остаются. Пропустив печь вдоль стержня несколько раз в одном и том же направлении (или двигая друг за другом несколько печей), можно получить очень чистый металл. А конец стержня с примесями отрезают и выбрасывают.
Сейчас имеется целый ряд конструкций аппаратов для зонной плавки. Этим методом очищаются от примесей ванадий, висмут, алюминий, германий, галлий, олово, медь, кремний. Зонной плавкой из технических металлов можно получить очень чистые вещества. Например, получен алюминий с содержанием 99,9995 процента (остальное примеси). Этим методом получен также германий, в котором на 10 миллиардов атомов основного вещества приходится всего лишь один атом примесей.
