Эксперименты с металлами: легированная сталь

Первые полезные сплавы металлов появились тысячелетия назад, еще до того, как начался железный век, а о научно-технических революциях никто не слышал. Их создала сама природа, а люди только обтачивали материал и выковывали их него орудия труда и оружие. Метеоритное железо, у которого в составе содержится более 8% никеля, попадало на Землю в результате падения метеоритов.

У ремесленников и ученых долго не получалось повторить опыт природы, так как любые добавки просто выгорали при применении традиционных технологий выплавки металлов. Первые более или менее удачные опыты, о которых сейчас известно, зафиксированы только в 1858 году, а массовое производство началось спустя 13 лет, в 1871.

Легирование: что такое и для чего нужно

Легирование – это целенаправленное введение в формулу металла определенных добавок с целью улучшения химических и физических характеристик. Метод широко используется в металлургической промышленности, но не только. Его применяют также при изготовлении керамики, стекла, полупроводников.

Но разве в природе так часто встречается чистый металл, человек ведь почти всегда имеет дело со сплавом, так в чем ценность легирования? Это качественное понятие. Несмотря на то, что в природных сплавах и ломе металла часто присутствуют примеси, такую сталь не считают легированной. Так как смесь компонентов не обладает предсказуемыми нужными человеку свойствами.

Добиться изменения кристаллической структуры, к примеру, изменить температуру плавления, магнитные, электрические свойства, повысить коррозионную стойкость, жаростойкость, можно только намеренным введением определенного процента добавки при определенных условиях, например, в бескислородной среде.

Объемное легирование — это в буквальном виде сплавление двух или более элементов в специальных печах. Однако в печах часто происходят значительные потери значимых элементов, к примеру, путем испарения. Чтобы уменьшить потери и обеспечить более равномерное распределение легирующих элементов добавки вводят в жидкую форму тугоплавких металлов.

Смешивание может производиться в специальных барабанах, в которых порошки смешивают механически, вбивают легирующие элементы в основу. Таким способом за несколько часов усилий удается получить соединение с относительно равномерно распределенным улучшающим компонентом.

Поверхностное легирование позволяет ввести на глубину 1-2 мм легирующую добавку, чтобы получить необходимые свойства исключительно с внешней стороны.  Чаще всего таким способом производители пытаются добиться снижения окисления металла под действием кислорода. А так как контактирует с воздухом чаще всего только внешняя сторона, ее обработки может быть достаточно.

Другое дело, насколько прочным получается покрытие, что будет происходить при его истирании, а также в каких случаях экономически целесообразно выполнять, к примеру, оцинкование, а в каких необходимо добиться антикоррозийного эффекта не только на поверхности. К примеру, прутки для кирпичной кладки, отливки монолита или заливки стяжки вполне могут иметь защитный слой только с внешней стороны. А вот сталь, из которой изготовлен нож, не должна ржаветь и при стачивании металла.

История вопроса

Со времен Галилео Галилея, основателя экспериментальной физики, ученые активно проводят эксперименты с металлами. Но большая часть научных опытов долгое время носила сугубо теоретический характер. Экспериментаторы стремились были ответить на вопрос «Почему?», но никто не мог сказать: «Зачем?» или «Для чего?».

Практический смысл преобразования железа в различные сплавы приобрело только в 18-19 вв., когда была наработана достаточная для достижения прикладных целей теоретическая база.

Первые неудачные попытки

Чтобы понять, почему любой сплав металлов нельзя считать легированным, нужно погрузиться в историю вопроса. Первым легирующим элементом считается марганец. В чистом виде элемент был получен в 1774 году в Швеции. Тогда он еще не имел названия и приобрел действующее только спустя 13 лет, и то, только на территории страны. Путаница с наименованиями металлов длилась вплоть до средины 19 века. Поэтому в России его называли «манганес», а еще раньше «марганцовик».

В первом году 19 столетия шведский бухгалтер, одновременно занимающийся химическим анализом, который тогда называли «пробирным искусством», осознал, что добавление марганца изменяет свойства стали в лучшую сторону. Правда, на практике результат получался неоднозначным. Тигельная сталь, легированная марганцем, получалась не всегда, так как в расплав мог попадать кислород, присутствие которого отрицательно сказывается на свойствах материала. Но при выплавке небольшого количества металла под слоем шлака в присутствии углерода марганец мог удалять серу, и, если концентрация самого металла достигала процента, действительно делал сталь более прочной.

Однако химические эксперименты продолжались, и концу столетия опыты легирования принесли первые устойчивые результаты.

1882 год: изобретение стали Гадфильда

В 1882 году английский металлург Роберт Гальфильд первым создал ценную для промышленности легированную сталь. Металл с углеродом и марганцем и сегодня используется, благодаря высокой износостойкости и удобству в отливке. С тех пор химический состав изменился минимально.

А наука химия пошла дальше. Первый успех вдохновил многих. Ученые в разных уголках планеты начали более целенаправленно изучать процессы, которые происходят в металлах при нагревании и не только.

Взаимодействие стали и других металлов - легирование стали различными химическими элементами

20 век был посвящен осознанному улучшение свойств стали с помощью различных добавок. В ходе экспериментов ученые стремились детально изучить химические реакции, которые происходят в процессе смешивания и нагревания. Рассмотрим, как происходили открытия.

Добавление хрома в сталь или как уменьшить износ пушек

Хром повышает коррозиестойкость стали, чрезвычайно сильно подверженной ржавлению. Однако обнаружено это было случайно. Металлурги долго и упорно в ходе экспериментов с металлами пытались добиться совершенно другого эффекта – требовалось снизить износ материала, из которого изготавливались пушки. Так как под воздействием высоких температур оружие быстро теряло свои первоначальные свойства.

Впрочем, требуемого эффекта ученые все же добились. Хром, при условии введения большого количества - 25%, действительно не дает металлу разрушаться под действием высоких температур, увеличивает твердость стали.

Никель или как нагреть кастрюлю, чтобы металлические ручки остались холодными

В начале 20 века, в Берлине испытатели представили интересный образец опытов – кастрюлю, которая при нагревании грелась не целиком: одна из ручек оставалась теплой, в то время как другая была горячей. Оказалось, что такого эффекта удалось добиться путем легирования стали никелем. Добавка снижала теплопроводность. Достигнуть результата можно, смешав 69% стали и 31% никеля.

Как удалось сделать танковую броню непробиваемой?

В Первую мировую войну ученые получили от военных задачу: требовалось сделать броню танков устойчивой к снарядам. В то время толщина стенок боевых машин достигала 7,5 см, но пользы от этого было мало, так как снаряды легко разрушали их. Эксперименты показали, что добавление всего 1,5-2% молибдена повышает так называемую «ударную вязкость», в результате даже при толщине металла всего 2,5 см снаряды просто застревают в нем.

Химические формулы и способы получения сплавов со строго заданными характеристиками совершенствуются перманентно. Оттачивая мастерство, ученые–металлурги постоянно стремятся получить все более совершенные сплавы, которые будут максимально полно соответствовать поставленной задаче. Эксперименты продолжаются, доступ к знаниям, лабораторным инструментам и материалам в 21 веке есть почти у всех, поэтому любой и каждый может войти в историю как гениальный первооткрыватель нового сплава.