Рассказы о железе
Нержавеющая железная колонна
Близ г. Дели в Индии стоит железная колонна без малейшего пятнышка ржавчины, хотя ее возраст почти 2800 лет.
Это знаменитая Кутубская колонна высотой около семи метров и массой 6,5 т. Надпись на колонне говорит о том, что она была поставлена в IX в. до н. э. Ржавление железа — образование метагидроксида железа FeO(OH) — связано со взаимодействием его с влагой и кислородом воздуха:
4Fe + 2H2O + 3O2 = 4FeO(OH).
Однако эта реакция при отсутствии в железе различных примесей, и прежде всего углерода, кремния и серы, не протекает. Колонна была изготовлена из очень чистого металла: железа в колонне оказалось 99,72%. Этим и объясняется ее долговечность и коррозионная устойчивость.
Сера вредная и полезная
В сталелитейной промышленности во избежание «красноломкости» (снижения прочности при высоких температурах) допустимое содержание серы S в стали не должно превышать 0,01%. Примесь серы находится там в виде сульфида железа FeS, практически нерастворимого в стали при обычной температуре. Он-то и вызывает растрескивание металла при прокатке и ковке.
Если речь идет о стали, содержащей марганец и бор, которую используют в машиностроении, то примесь серы в количестве около 0,015% приводит к тому, что такую сталь легче обрабатывать, причем режущий инструмент при этой обработке меньше изнашивается. В таких сталях сера содержится в виде сульфида марганца MnS, который играет роль твердой смазки, предотвращающей вырывы металла резцом.
При обкатке двигателей внутреннего сгорания в цилиндры добавляют специальные присадки, содержащие коллоидную серу. Срок технологической операции в этом случае сокращается, так как на поверхности металла цилиндра и поршня тоже образуется сульфид марганца.
«Цветастая» металлургия
Знаете ли вы, что в английских патентах вплоть до конца XIX в. содержались рекомендации добавлять в закалочную жидкость при обработке железа полевые цветы?
Эту курьезную рекомендацию породило незнание действительных причин закаливания стали. Кстати, твердость закаленной стали долгое время объясняли превращением содержащегося в ней углерода в алмаз. Более того, в конце XVIII в. французский ученый Гитон де Морво получал сталь (наверное, самую дорогую в мире во все времена!) сильным нагреванием чистого железа с алмазами.
Оружие из «небесного камня»
«Небесным камнем» в древности называли метеоритное железо. Согласно легенде, оружейники не смогли отковать из «небесного камня» меч для эмира Бухары, и их умертвили. Оружейники не знали, что никелистое метеоритное железо куется только холодным, а при нагревании становится хрупким. Однако оружие из уникального «металла с неба» было у индийских властителей в XVII в., у российского царя Александра I и у латиноамериканского героя, легендарного Боливара.
Лунная металлургия
В образцах лунного грунта, доставленных на Землю, обнаружено поразительно большое количество самородного железа.
В первую очередь это остатки метеоритов, которые беспрепятственно достигают поверхности нашего безатмосферного спутника Луны. На их долю приходится 30% лунного железа. А остальные 70% следовало бы назвать «селеническим железом»: хотя на Луне нет залежей каменного угля, необходимых для естественного доменного процесса, но нет и атмосферы, содержащей кислород. В условиях кислородного голодания на Луне все элементы находятся в низших степенях окисления. Глубокий вакуум (10-7—10-9 атм) и высокая температура (несколько тысяч градусов) сами по себе служат восстановителями железа; значит, при извержении расплавленных лунных пород всегда самопроизвольно образуется самородное железо. Не правда ли, «лунометаллургия» эффективнее земной?
Не всегда ржавчина вредна
Статья, опубликованная в 1834 г. в «Горном журнале», называлась «Улучшение железа и стали посредством ржавления в земле».
Способ превращения железа в сталь через ржавление в земле известен людям с глубокой древности. Например, черкесы на Кавказе закапывали полосовое железо в землю, а откопав его через 10—15 лет, выковывали из него свои сабли, которые могли перерубить даже ружейный ствол, щит, кости врага.
В земле железо Fe, естественно, ржавело, превращаясь в метагидроксид железа:
4Fe + 2H2O + 3O2 = 4FeO(OH),
но одновременно насыщалось углеродом и азотом при контакте с различными органическими веществами почвы. Ржавчина [метагидроксид железа FeO(OH)] обладает хорошей сорбционной способностью к различным органическим веществам. После выкапывания ржавое железо вместе с органическими веществами нагревали в горнах, ковали, а затем охлаждали водой — закаливали. Углерод и азот появлялись в поверхностном слое откованного металла, упрочняя его и сообщая ему особую твердость. В слое при термической обработке образуется очень твердое соединение: карбид железа Fe3C — цементит:
3Fe + C = Fe3C.
Впоследствии для получения твердой стали вместо длительного пребывания железа в земле перешли к плавке железа под слоем древесного угля.
Золотистая сталь
Обычная сталь — серого цвета, есть даже выражение «стальной цвет». Но можно изменить цвет этого материала на золотистый путем нанесения на сталь покрытия из нитрида титана TiNx. В вакуумной камере в среде азота плазменная дуга испаряет титан Ti, а его пары, прореагировав с азотом, превращаются в нестехиометрические нитриды титана, которые, оседая на поверхности быстрорежущей стали, образуют прочное износостойкое покрытие золотистого цвета. Инструменты из такой стали почти не имеют конкуренции — разве только с алмазсодержащими хромированными изделиями.
Кстати, этим методом делают и тонированные «под золото» зубные протезы.
Алхимики для окраски металлов применяли «божественную воду», которой был водный раствор полисульфида кальция CаSx (х≥2) и сульфита кальция CaSO3 зеленовато-желтого цвета. После погружения в такой раствор пластинки или изделия из хрома, свинца или олова приобретали желтовато-золотистый цвет. «Божественную воду» алхимики получали кипячением смеси серы S, гидроксида кальция Са(ОН)2 и воды Н2О:
5S + 3Са(ОН)2 = 2CaS2 + CaSO3 + 3Н2О.
•
•
Copyright © 2005 - 2007 Webmaster
