Рассказы о металлах
Шрифт:
Название «пиролюзит» пришло к минералу позже, а в те времена из-за способности обесцвечивать стекло его называли «стекольным мылом», или «марганцем» (от греческого «манганезе» - очищать). Было известно и другое название минерала - «черная магнезия»: пиролюзит с древних времен и добывали в Малой Азии близ города Магнезии; кстати, там же добывалась и «белая магнезия», или «магнезия альба», - окись магния.
И История химии приписывает открытие марганца как металла шведскому химику » Ю. Гану (1774 год). Однако есть основания полагать, что первым человеком, получившим крупицы металлического марганца, был Игнатий Готтфрид Кайм, который описал его в своей диссертации, изданной в 1770 году в Вене. Кайм не довел эти исследования до конца, и поэтому они остались неизвестными большинству
Следующую попытку поближе познакомиться с марганцем сделал шведский ученый Торберн Бергман. «Минерал, который называют черной магнезией, - писал он, - представляет собой новую землю, которую не следует смешивать ни с обожженной известью, ни с магнезией альба». Но выделить марганец из пиролюзита ему так и не удалось.
Изучение этого минерала продолжил друг Бергмана знаменитый химик Карл Шееле. В 1774 году он представил в Стокгольмскую Академию наук доклад «О марганце (т. е. о пиролюзите.
– С. В.) и его свойствах», в котором сообщал об открытии нового элемента - газообразного хлора. Наряду с этим Шееле утверждал в докладе, что в состав пиролюзита входит новый металл, отличный от всех известных в то время. Но получить этот металл не сумел и он.
То, что не смогли сделать Бергман и Шееле, удалось в том же 1774 году Гану. В тигель, внутренняя стенка которого была покрыта влажной древесноугольной пылью, ученый поместил смесь размолотого пиролюзита и масла, а сверху насыпал порошок древесного угля. После сильного нагрева смеси в течение часа в тигле была обнаружена крупинка металлического марганца. Это открытие принесло Гану мировую славу, а семья металлов пополнилась новым, пятнадцатым по счету членом.
16 мая 1774 года Шееле послал Гану очищенный пиролюзит вместе со следующей запиской: «Я с нетерпением жду сообщений о том, к каким результатам приведет этот чистый пиролюзит, когда Вы примените к нему Ваш «адский огонь», и я надеюсь, что Вы пришлете мне небольшой королек металла как можно скорей».
«Адский огонь» сделал свое дело, и уже 27 июня Шееле благодарил Гана за полученный королек марганца. Шееле писал: «...считаю, что королек, полученный из пиролюзита, представляет собой полуметалл, отличный от всех остальных полуметаллов и имеющий близкую связь с железом».
В России марганец начали получать в первой четверти XIX века в виде сплава с железом - ферромарганца. «Горный журнал» в 1825 году упоминал о выплавке стали с применением тмарганца. С этого времени судьба элемента неразрывно связана с металлургией, которая является сейчас основным (95%) потребителем марганцевой руды.
Великий русский металлург П. П. Аносов в своем классическом труде «О булатах», изданном в 1841 году, описывал исследования сталей с различным содержанием марганца. Для введения его в сталь Аносов использовал ферромарганец, полученный в тиглях. С 1876 года начинается промышленная выплавка ферромарганца в доменных печах Нижне-Тагильского завода.
Вехой в истории марганца стал 1882 год, когда английский металлург Роберт Гадфильд выплавил сталь с высоким содержанием этого элемента
(около 13%).
В 1878 году 19-летний Гадфильд приступил к исследованию сплавов железа с другими элементами, в частности с марганцем. Спустя четыре года молодой шеффилдский металлург сделал следующую запись в своем исследовательском журнале: «Я начал эти опыты, имея в виду изготовление стали, которая была бы твердой и одновременно вязкой. Опыты привели к некоторым любопытным результатам, весьма важным и способным изменить существующие взгляды металлургов на сплавы железа».
В 1883 году Гадфильду был выдан первый Британский патент на марганцовистую сталь, изготовленную присадкой к железу богатого ферромарганца. В последующие годы Гадфильд продолжал изучать проблемы, связанные с марганцовистой сталью. В 1883 году появились
Сталь. Гадфильда быстро получила признание металлургов и машиностроителей. Благодаря высокой износостойкости ее начали применять для изготовления тех деталей, которые в процессе эксплуатации истираются при значительном удельном давлении, - рельсовых крестовин, щек дробилок, шаров шаровых мельниц, гусеничных траков и т. п. Самое удивительное заключалось в том, что под действием нагрузок эта сталь становилась все тверже и тверже. Причина такого странного явления заключается в следующем. После литья в марганцовистой стали по границам зерен выпадают избыточные карбиды, снижающие ее прочность. Поэтому сталь необходимо подвергать закалке, в результате которой пограничные карбиды растворяются в металле. Во время службы детали вследствие наклепа (под действием нагрузок) в поверхностном слое выделяется углерод - именно этим и объясняется упрочнение стали.
Не мудрено, что сталью Гадфильда очень заинтересовались фирмы, выпускающие сейфы и замки.
Свойством самоупрочняться обладает и марганцовистый чугун. Так, экскаваторы, на которых были установлены подшипники из этого чугуна, находились в эксплуатации без ремонта вдвое дольше, чем их «собратья» с бронзовыми подшипниками.
В металлургии марганец широко применяют для раскисления и десульфурации стали.
Как легирующий элемент он входит в состав пружинных сталей, сталей для нефте- и газопроводных труб, сталей с немагнитными свойствами... впрочем, вряд ли нужно перечислять стали, содержащие марганец: в том или ином количестве элемент, открытый Ганом, присутствует буквально во всех сталях и чугунах.
Не случайно ведь его называют вечным спутником железа. Да и в Периодической системе элементов они занимают соседние клетки № 25 и 26. (Вместе с железом марганец попадает даже... в зубы акулы, но об этом речь пойдет ниже).
После того, как в 1917 году русские ученые С. Ф. Жемчужный и В. К. Петрашевич обнаружили, что уже незначительные добавки меди (около 3,5%) придают марганцу пластичность, металлурги стали проявлять интерес и к марганцевым сплавам.
В современной технике применяют большое число манганинов - сплавов марганца, меди и никеля, обладающих высоким электрическим сопротивлением, практически не зависящим от температуры. На способности манганина изменять сопротивление в зависимости от давления, которое испытывает сплав, основан принцип действия электрических манометров. В тех случаях, когда нужно измерить давление, например, в несколько десятков тысяч атмосфер, воспользоваться обычным манометром не удается: жидкость или газ под таким напором вырываются сквозь стенки манометрической трубки, как бы прочна она ни была. Электрический же манометр успешно справляется с этой задачей: измеряя электросопротивление манганина, находящегося под определяемым давлением, можно по известной зависимости вычислить давление с любой степенью точности.
Манганины обладают еще одним ценным свойством - демпфированием, т. е. способностью поглощать энергию колебаний. Если бы какомунибудь чудаку пришла мысль отлить из манганина колокол, то с его помощью вряд ли удалось бы собрать вече: вместо набатного звона манганиновый колокол издавал бы лишь короткие глухие звуки.
Но если для колокола «молчание» - явный недостаток, то для железнодорожных или трамвайных колес, рельсовых стыков и многих других «звучащих» деталей умение «держать язык за зубами», не создавая никому не нужный грохот, - очевидное достоинство. В кузнечных, штамповочных металлообрабатывающих цехах с помощью «немых» сплавов можно значительно уменьшить вредные производственные шумы. Наибольшей способностью «не поднимать шум» отличаются сплавы, содержащие 70% марганца и 30% меди. Некоторые из них по прочности не уступают стали.