Чем болеют металлы (статья)

По-видимому, это самый старый и самый известный пример болезни металла.

В 1868 году в мемуарах Петербургской Академии наук появилась статья академика К. Фрицше, в которой сообщалось, что на интендантских складах вдруг разрушились все оловянные пуговицы, твердый белый металл превратился в серую труху. Подобное наблюдалось и на складах таможни: бруски олова рассыпались в порошок.

Статья Фрицше встретила живой отклик: а Академию стали поступать сообщения о загадочных и неприятных превращениях олова. Отклики шли из самых различных мест Европы и Северной Америки. Все сходились на том, что олово словно простуживается: серый порошок во всех случаях образовывался под действием низких температур.

Подобные истории случались и позже. Из поезда, пришедшего в Москву из Голландии, вместо погруженных в пего полновесных брусков олова выгрузили груды серого порошка. На печально известных Нерчинских рудниках за несколько морозных дней рассыпались все оловянные миски и ложки. Во время знаменитого балканского похода у будущих героев Шипки и Плевны рассыпались оловянные пуговицы, и пришлось воинам идти в шинелях нараспашку. А еще позже Оскар Уайльд проявил проницательность, неожиданную для человека, столь далекого от техники. В его сказке «Счастливый принц» раскалывается от мороза именно оловянное сердце...

Сущность «оловянной чумы» выяснена уже давно: она заключается в изменении кристаллической структуры металла при низких температурах. Плотность белого олова — 7,37, а серого—всего 5,76. При перекристаллизации на морозе металл изменяется в объеме и происходит что-то вроде микровзрыва.

Оловянная чума — болезнь инфекционная. Соприкосновение переохлажденных, но еще здоровых брусков олова с пораженными оловянной чумой приводит к «заражению». Сначала на них появляются «бородавки» — участки пораженного металла. Это то же, что и затравка, введенная в переохлажденный раствор, вызывающая бурную кристаллизацию.

На складах предприятий, где хранятся бруски олова, не допускают понижения температуры ниже определенного уровня — фактор, совершенно безразличный при храпении других металлов. Уже при температуре плюс 13,2 °С начинается превращение белого олова в серое. Но особенно быстро этот процесс идет при температуре ниже минус 39°С

Присутствие в олове примесей алюминия или цинка ускоряет течение болезни, а добавками, предупреждающими оловянную чуму, служат висмут, сурьма и свинец. Нынешние оловянные припои полностью застрахованы от оловянной чумы благодаря таким «прививкам».

Еще одна инфекционная болезнь металла (не по сущности — по названию) —медная оспа. На поверхности красно-желтых сверкающих слитков появляются вдруг темные оспины. Это происходит в тех случаях, когда технология производства металла бывает нарушена.

При плавке медь легко поглощает газы, в частности кислород, Образующаяся при этом закись меди Cu20 хорошо растворяется в металле. Когда затвердевает двухкомпонентный сплав, то при постепенном понижении температуры кристаллизуется сначала тот компонент   (обычно   это   металл), при достижении точки плавления второго компонента происходит совместная кристаллизация. Из-за этого в процессе затвердевания соотношение компонентов в расплаве изменяется. Температура плавления чистой меди 1080°С, а се эвтектики с Cu20—1064. Поскольку закиси меди в расплаве немного, эвтектика распределена в нем локально, в отдельных точках. Медь твердеет раньше, и эти локальные включения, еще незастывшие, вытесняются на поверхность. Так образуются оспины.

От вредного влияния закиси меди избавляются, восстанавливая ее до металла в процессе дразнения. В расплав погружают свежеспиленное бревно. Влага и продукты сухой перегонки дерева вызывают бурление расплава и восстановление закиси. Однако дразнить медь нужно осторожно. Можно и передразнить. Если удалить из расплава всю закись Cu20, то медь будет быстро поглощать восстановительные газы, отчего поверхность ее станет пористой. Опять медная оспа, хотя и несколько иного характера!

«Передразнеиие» сказывается и на механических свойствах металла, особенно если в нем есть примесь висмута. При полном же удалении закиси меди восстанавливается и металлический висмут. Это очень вредная примесь. Выделяясь на гранях кристаллов застывшей меди, висмут придает слитку хрупкость и при низких, и при высоких температурах.

Если во избежание медной оспы медь плавят в восстановительной водородсодержащей атмосфере, то не исключено, что у металла обнаружится другая болезнь.

Водород легко проникает (диффундирует) в медный расплав и там взаимодействует с закисью меди: Образующиеся пары воды в меди не растворяются и через расплав свободно проходят. Застывая, металл сжимает пар, давление огромно — оно способно разрушить кристаллическую решетку, вызвать трещины. Металлурги называют это явление водородной болезнью. Профилактическое средство против нее — безводородная восстановительная атмосфера.

Водородную болезнь меди, пожалуй, с таким же правом можно назвать и водной, а вот стали бывает свойственна именно водородная хрупкость. Она на первый взгляд не столь катастрофична, но может причинить и крупные неприятности.

Листовую сталь перед отправкой в цех на переработку очищают в травильных ваннах серной или соляной кислотой. Но очищенные травлением листы еще не готовы для штамповки — они могут рваться под штампом, и вот отчего.

При обработке в ваннах из травильного раствора будет выделяться вытесняемый железом водород — атомарный в момент выделения (или даже в ионной форме). Поглощенный поверхностью стального листа, он образует гидриды, которые занимают значительно больший объем, чем соответствующее количество железа. Тем самым создаются внутренние напряжения — физическая причина водородной хрупкости. Чтобы уменьшить ее, достаточно дать травленым листам вылежаться при обычной температуре. Они станут годными для штамповки.

Однако не всегда эта болезнь так безобидна. В стальных установках и аппаратах, где в атмосфере водорода идут производственные процессы,   водородная   хрупкость может быть причиной износа и разрушения установки в целом. Чтобы избежать этой опасности, стальные детали, которым предстоит работать в водородной среде (особенно под давлением), покрывают другими металлами.

К сожалению, лучшее лекарство в этом случае золото. Золотые покрытия отличаются минимальной пористостью, и, несмотря на очевидную их дороговизну, к ним зачастую прибегают, ибо ущерб от водородной хрупкости обходится еще дороже.

Если о ком-то говорят, что он в рубашке родился, это значит, что человеку повезло необычайно. На предприятиях цветной металлургии, где золото извлекают амальгамационным способом (с помощью ртути), нередко можно услышать словосочетание «золото в рубашке».

В общей массе амальгамируемого золота иногда попадаются частицы, покрытые пленкой посторонних окислов. Эта пленка не допускает контакта золота и ртути, и в результате крупицы золота ускользают от амальгамации, не извлекаются.

Процесс может нарушиться и из-за болезни не золота, а ртути. В золотой руде иногда присутствуют легкоокисляемые сульфиды. Образующиеся окисные пленки покрывают поверхность ртутных капель. Они не могут слиться — ртуть, как говорят специалисты, пемзуется, то есть разбивается на тончайший порошок, легко уносимый потоком воды. Особенно ускоряют течение такой болезни сульфиды мышьяка и сурьмы.

Иногда поведение того или иного металла чем-то напоминает психическое заболевание. Вы никогда не слышали про «плюющееся серебро»? Тем не менее оно может плеваться не хуже рассерженного верблюда. Если серебро плавили на воздухе, то при затвердении на поверхности металла образуются окисные наросты. Стоит лишь коснуться их, как начинается бурное разбрызгивание еще неотвердевшего металла. Это следствие быстрого распада окиси серебра.

Кислород в расплавленном серебре растворяется хорошо: 22 объема кислорода в одном объеме серебра, а окись серебра термически нестойка. Уже при 160°С она восстанавливается до металла. Чтобы сохранить это соединение при температуре 360°С, нужно приложить давление в 15 атмосфер. Это и причина, и следствие «благородства» серебра.

А вот этого названия в книгах по металловедению не найти. Просто клиническая картина одного из видов коррозии цинка внешне очень похожа на известное грибковое заболевание.

Замечено, что в помещениях цинк корродирует быстрее, чем на открытой ветрам и дождям оцинкованной крыше. Происходит это потому, что продукты коррозии (окись цинка и углекислый цинк) не смываются дождями. Образовавшиеся отложения «белой ржавчины» впитывают влагу, и на оцинкованной поверхности разрастаются светлые пятна наподобие стригущего лишая.

Интересно еще одно обстоятельство. Мягкая вода вызывает более сильную коррозию этого металла, чем вода, содержащая в большем количестве соли жесткости. Жесткая вода действует менее агрессивно, так как осадок карбонатов образует на цинковой поверхности довольно прочное защитное покрытие.