Страница 52 из 83
Сейчас влияние добавок в сталь тех или иных элементов достаточно хорошо изучено, поэтому часто можно заранее предвидеть, как повлияет на свойства стали та или иная присадка.
Так, добавка в сталь кремния увеличивает ее эластичность, а марганца — вязкость и сопротивление удару.
Сталь, содержащая вольфрам, приобретает необычайную прочность, сохраняющуюся при высоких температурах. А это очень важно, так как при высоких скоростях резания металла резец от трения раскаляется, и если он сделан из обычной стали, то теряет при этом свою твердость. Но для вольфрамовой стали, которую так и называют — «быстрорежущей», такое разогревание не страшно: она по-прежнему остается твердой. В состав такой стали, кроме вольфрама (18 процентов), входит хром (4 процента) и ванадий (1 процент).
Аналогично действует добавка к стали бора. А ниобий делает сталь особенно пригодной для изготовления электродов электросварочных аппаратов: шов при этом получается прочный и чистый.
Совместное присутствие в стали вольфрама, молибдена и ванадия обеспечивает настолько высокую прочность сплава, что его используют для изготовления танковой брони (а также для изготовления головок снарядов, пробивающих эту броню).
Очень интересно влияние ванадия на свойства стали. Роль присадки при этом двояка: карбиды ванадия, включенные в структуру стали при плавке, резко увеличивают ее прочность. Кроме того, ванадий является так называемым модификатором. Что это значит? Дело в том, что ванадий связывает и удаляет из металла в виде шлака растворенные в стали газы — азот и кислород, поэтому сталь приобретает более плотную, мелкозернистую структуру. В результате повышается выносливость изделий.
В качестве модификаторов используют также элементы второй группы периодической системы — магний и стронций. Стронций связывает серу и фосфор, так что содержание этих вредных примесей в стали уменьшается в два-три раза (сера) и в десять раз (фосфор).
Улучшает качество стали и добавка циркония. А хром сообщает стали высокую устойчивость против коррозии. Так, в состав нержавеющей стали входит 18 процентов хрома и 9 процентов никеля. Из такой стали изготовлены многие ответственные детали машин, химической аппаратуры, а также корпуса подводных лодок. Сплав, содержащий 35 процентов никеля и 8 процентов хрома (элинвар), очень упруг, поэтому он используется для изготовления различных пружин, в том числе часовых.
Из других сплавов на основе железа упомянем еще обладающий очень малым коэффициентом расширения сплав инвар, содержащий 36 процентов Ni, 0,5 процента Mn и 0,5 процента С. Такой сплав очень нужен для изготовления точных приборов. Из него можно делать различные эталоны и калибры. Инвар может заменить гораздо более дорогой сплав платины и иридия, обладающий теми же свойствами.
А сплав, содержащий 46 процентов никеля и 0,15 процента С, успешно заменяет дорогостоящую платину, которая когда-то считалась незаменимой во всех случаях, когда нужно было впаять металл в стекло, — ведь у платины и у стекла очень близкие коэффициенты расширения. У нашего сплава, который поэтому и называется «платинит», такой же коэффициент расширения, но значительно более низкая стоимость.
Вы видите, как много у железа помощников. Но иногда железо и его помощники, так сказать, меняются местами. Тогда уже железо служит в качестве добавки к другим металлам. Так, в широко известный сплав нихром, применяемый для изготовления спиралей электронагревательных приборов, железо входит в количестве 16 процентов. Основу же сплава представляют никель (67,5 процента) и хром (15 процентов), как это видно и из названия сплава.
Широко известно замечательное содружество железа с бетоном в железобетонных конструкциях. В них сочетаются положительные качества того и другого материала и в значительной степени устраняются те недостатки, которыми обладают бетон и железо в отдельности.
Много у железа друзей. Но есть у него и враги. Нельзя не вспомнить, что сера и фосфор резко ухудшают свойства металла, делая его ломким. Справедливости ради отметим, что небольшие количества фосфора в чугуне даже полезны, так как улучшают литейные качества чугуна. Врагами железа являются агрессивные химические вещества. Химические воздействия окружающей среды, разрушающие металл, называют коррозией. Коррозия — страшный бич техники, ведь она уносит ежегодно до 35 процентов всего добытого за это же время металла!
Что является причиной коррозии? В воздухе всегда находится некоторое количество CO2, а также кислородных соединений серы, образующихся при сгорании топлива. Это наряду с действием влаги и кислорода приводит к разрушению железных кровель, железных дымовых труб и т. д. Это пример газовой коррозии. Такая коррозия разрушает железные предметы на химических предприятиях, на которых воздух содержит следы таких активных веществ, как хлористый водород, окислы азота.
Разумеется, в еще большей степени корродируют стальные трубы, по которым на химических предприятиях транспортируются различные агрессивные жидкости. Из-за этой химической коррозии приходится такие трубы делать из специальных материалов: из различных сплавов, из пластмасс и т. д.
Самый жестокий враг железа — это всем известная «безобидная» вода. Наибольшее количество железа уносит именно влажная коррозия, происходящая при контакте металлических предметов с водой или с водяными парами. Сущность ее состоит в вытеснении водорода из воды железом:
Fe + 2H+ = Fe2+ + H2
Такая реакция похожа на реакцию железа с кислотами, но, конечно, кислоты, диссоциируя в растворах, дают значительно больше ионов водорода, поэтому химическая коррозия идет гораздо быстрее.
Как и в случае других химических реакций, коррозия будет идти быстрее, если образовавшиеся продукты реакции связывать какими-либо способами. Понятно, что углекислый газ, связывая ионы железа, способствует коррозии:
Fe2+ + CO2 + H2O = FeCO3 + 2H+
Такую же роль играет и кислород воздуха, который, связывая выделяющийся при коррозии водород, способствует ей. Кроме того, кислород, снимая водород, защищающий поверхность железа (деполяризация), таким путем также ускоряет коррозию. Наконец, кислород окисляет двухвалентное железо до трехвалентного. Общий результат процессов, протекающих при влажной коррозии, можно выразить уравнением:
4Fe + 2H2O + 3O2 = 2(Fe2O3·H2O).
Таким образом, ржавчина представляет собой водную окись железа.
Почему же химически чистое железо гораздо устойчивее к коррозии, чем обычный технический металл? Это станет понятно, если мы будем рассматривать коррозию как процесс электрохимический.
Вспомним, что при контакте двух металлов, отличающихся между собой по легкости отдачи валентных электронов, то есть по активности, возникает разность потенциалов, причем менее активный металл становится электроотрицательным, а более активный — электроположительным. Если в воде есть хотя бы небольшое количество электролитов, в ней образуется гальванический элемент: водород выделяется на менее активном металле, а более активный металл разрушается. Чистые же металлы не образуют гальванических микроэлементов, поэтому они и устойчивее.
Однако гальванический микроэлемент образуют не только два металла. Так, при ржавлении обычной углеродистой стали образуется гальванический микроэлемент, в котором железо служит катодом и потому разрушается, а роль анода выполняет карбид железа — цементит. Гальванический микроэлемент может образоваться и в том случае, если на поверхности металла есть загрязнения: пыль, кусочки угля и т. п.
Известно, что для защиты железа от коррозии изделие покрывают цинком (цинкуют) или оловом (лудят). При нарушении защитного слоя (царапины, трещины и т. п.) процессы коррозии идут по-разному. В первом случае разрушается цинк — ведь он более активен, чем железо, а во втором — железо, так как олово менее активный металл.