(495) 234-36-61
На главную страницу блога Почта

Блог «Умные мелочи»

Железо

Рубрика: (Как рождались технологии) | Автор: moderator | Дата: 25-07-2014

Метки: , , , , , , ,

Железо известно человеку столько же времени, сколько известна и медь. И, тем не менее, медь древние люди научились добывать намного раньше, чем железо. В чем же дело? В высокой температуре плавления железа – 1535 градусов, медь же плавится при температуре 1083 градуса. Эта разница означает, что для выплавки железа нужны совершенно иные технологии, чем обычная печь или костер.

Самородное железо встречается еще реже, чем самородная медь. Редкие находки – это обычно остатки упавших на поверхность планеты метеоритов. Небольшие небесные тела, вращающиеся вокруг Земли и, в конце-концов, под воздействием сил притяжения попадающие в земную атмосферу, состоят преимущественно из железа. На самой Земле железо один из самых распространенных металлов, на его долю приходится более четырех процентов массы земной коры, а ядро планеты в значительной степени состоит из расплавленного железа.

В природе железо встречается в виде естественных химических соединений, входящих в состав железных руд. Прежде всего, это всякого рода железняки – красный, бурый, магнитный, шпатовый. Самое большое содержание железа в магнитном железняке – более 72 процентов в руде под названием магнетит. В виде сернистых соединений железо встречается в виде пирита. Оно так же входит в состав морской воды и в состав тканей всех живых существ. Железо необходимый элемент для поддержания жизнедеятельности. Именно железо участвует в процессах транспортировки и запасания кислорода, осуществляемых нашей кровью. В одном литре человеческой крови содержится до 450 миллиграммов железа.

Открытие железа человеком произошло так же случайно, как и открытие меди. Скорее всего, древние люди обратили внимание на серые металлические сгустки, остававшиеся на кострищах, в которые попадали куски железной руды, и на самородные метеоритные куски железа. После нагрева на огне серый металл можно было ковать, придавая ему любую форму. После остывания металл становился чрезвычайно прочным и, таким образом, годился для изготовления орудий труда и оружия. Железные наконечники копий и стрел, мечи и щиты, плуги и топоры были намного прочней медных или бронзовых, долго не тупились и при ударах не сминались.

Впервые железо было выплавлено из руды во втором тысячелетии до нашей эры. Технология железной металлургии из стран Западной Азии распространились на соседние территории. В 9-7 веках до нашей эры железо получило повсеместное распространение в древних государствах и племенах Европы и Азии. Эту эпоху называют железным веком, который сменил собой бронзовый век.

Как выплавляли металл из железной руды? Сначала для этого использовали высокие печи, в которых благодаря большой трубе поддерживалась высокая тяга, а за счет этого и необходимая для плавки железа температура. Позже была изобретена домница – специальная печь, воздух в которую нагнетался мехом.

С 14 века нашей эры для выплавки железа используют домны. К 18 веку процесс выплавки приобрел современные черты. Сегодня для выплавки металла используются домны, кислородные конвертеры, электродуговые печи.

Домна имеет форму высокого, до 40 метров, полого внутри усеченного конуса. Изнутри домна выложена слоем огнеупорного кирпича. Сверху в домну загружается топливо – кокс (уголь, подвергнутый нагреву до 1000 градусов без доступа воздуха), железную руду и необходимые плавильные добавки, способствующие очищению металла от шлака. Снизу в домну под давлением подается воздух или чистый кислород. В результате металл выплавляется из руды, соединяется с углеродом и стекает через специальное отверстие (оно называется клетка) в формы. В домнах из железной руды получают белый и серый чугун. Белый чугун используется для приготовления сталей, а серый чугун называют литьевым. В сером чугуне содержится графит – одна из форм углерода (это легко проверить: серый чугун оставляет след на бумаге). Серый чугун хрупок, тяжел, не поддается ковке, поэтому его применение ограничено. В наше время его используют для производства деталей и предметов, прочность которых не имеет особого значения.

Для получения стали чугун подвергают дополнительному нагреву до высокой температуры в мартеновских печах и кислородных конвертерах. При этом из чугуна выгорает избыточный углерод. Чугун с содержанием углерода не более 1-1,5 процента называется сталью. Сталь обладает совершенно иными физическими свойствами, нежели чугун. Она пластична, упруга, прочна. Из стали изготовляют орудия труда, оружие, наиболее ответственные детали машин. Сталь хорошо поддается прокатке и ковке. В отличие от чугуна, который при охлаждении расширяется, сталь при охлаждении сжимается, уменьшается в размерах. Поэтому после выплавки стальные детали подвергают обжатию на прокатных станах, устраняя тем самым из отвердевшего металла раковины и пустоты.

Сталь – основа современной промышленности. Любая отрасль начинается, прежде всего, с металлургии. В легкой промышленности – текстильной или пищевой – используется оборудование и станки, для изготовления которых необходима сталь. В автомобильной промышленности из стали делают кузова автомобилей и детали ходовой части. Сложная электроника, космическая промышленность – что ни возьми, без стали существовать не может.

Ясно, что изобретение сталей произвело настоящий переворот и в древности. Стальное оружие было гораздо эффективней, чем оружие из бронзы и меди. Стальные орудия труда повлияли на совершенствование основных технологий – строительства, производства сельскохозяйственных продуктов, кораблестроение и так далее.

Из глубины веков дошли до нас легенды об утраченных секретах древней металлургии. Речь идет о высокопрочных и легких дамасских сталях. Кроме специальных способов отливки, ковки и закалки, эти сорта сталей отличаются еще и легированием – введением в металл добавок, изменяющих его свойства. В современном производстве для получения легированных сталей применяют хром, никель, молибден, титан и другие металлы. В результате легированная сталь обладает особой прочностью и упругостью по сравнению с простой сталью. Некоторые сорта легированной стали (нержавеющая сталь) обладают еще и устойчивостью к коррозии.

Коррозия – это образование на поверхности железа рыхлого слоя окисла, который, в отличие от оксидной пленки, не способен защитить металл от дальнейшего окисления. В нормальных условиях поверхность железа покрывается пленкой оксида, который защищает глубинные слои металла. Но при повышенной влажности и в агрессивной среде (например, в соленой морской воде) на поверхности железа появляется ржавчина, которая препятствует образованию защитной пленки. Причина появления ржавчины – в добавках, которые неизбежно присутствуют во всех сортах  сталей. Химически чистое железо не ржавеет, но дело в том, что его очень трудно получить, а потому оно почти не производится.

Склонность к коррозии – явный недостаток железа, как основного материала для изготовления орудий труда и других предметов. Дошедшие до нашего времени железные находки изъедены ржавчиной до такой степени, что точно определить исходную форму предмета очень трудно. И в наши дни для стальных конструкций коррозия является врагом номер один. За десятки лет ржавчина способна уничтожить балки металлического моста, разъесть тросы лифтов, ослабить несущие конструкции зданий. Инженерам приходится специально рассчитывать коррозионную усталость металла, чтобы вовремя заменить проржавевшие детали.

Вместе с тем корпуса современных кораблей изготовлены из стали. При этом металл способен выдержать многолетнее воздействие морской воды. И стальные кузова автомобилей могут прослужить долгие годы без видимых коррозионных повреждений. И крыши домов, покрытые стальными листами, противостоят коррозии десятки лет. Как же удается защитить железные поверхности от ржавчины?

Для этого металлические детали изготовляют из легированных сталей или наносят на поверхность металла защитное покрытие. Но легированная сталь слишком дорога, чтобы использовать ее в массовом производстве, поэтому чаще всего стальные конструкции защищают при помощи специальных покрытий. Суть подобной защиты в том, что на поверхность железа наносят тонкий слой другого металла, который не ржавеет сам и не допускает коррозии железа, перекрывая доступ кислорода к его поверхности. Для этого  используются цинк, хром, никель, свинец и другие металлы. На поверхность стальной детали защитный слой наносят электрохимическим путем (оцинковка, хромирование, никелирование) или в виде краски (свинцовый сурик). К примеру, в автомобильной промышленности для защиты кузовов машин используют первый способ, в кораблестроении – второй.

Коварство ржавчины в том, что она способна развиваться под слоем краски. Поэтому перед нанесением защитной краски стальную поверхность очищают от следов коррозии специальными металлическими щетками. Достаточно пропустить маленькое пятно ржавчины, чтобы через несколько лет она разъела металл под защитной свинцовой или цинковой пленкой.

История постижения древними людьми секретов металлургии любопытна еще и в том отношении, что железо – едва ли ни первый материал, срок службы которого меньше срока жизни самого человека. Глиняный горшок, медный кубок, бронзовый щит пролежат в толще земли тысячелетия, и ничего им не сделается. А железный плуг или стальной клинок будут изъедены ржавчиной всего за пару лет. Оказывается, не все вещи стоит делать на века. Главное, чтобы они были доступны и практичны.

Бронза

Рубрика: (Как рождались технологии) | Автор: moderator | Дата: 23-05-2014

Метки: , , , , , ,

Открытие металлургии оказало самое благотворное влияние на развитие множества технологий, которые можно назвать базовыми, основополагающими в истории цивилизации. В самом деле, можно вспахать поле и деревянной сохой, но гораздо эффективней сделать это металлическим плугом. Можно вытесать из древесного ствола доску и каменным топором, но металлические орудия значительно облегчают эту тяжелую работу. А как представить себе дом, построенный без единого гвоздя, или боевое оружие, изготовленное только из дерева?

Другое дело – какой это был металл. Медь обладает прекрасной пластичностью, устойчива к коррозии, медные изделия долговечны и прекрасно выглядят. Но в то же время медь плавится при высокой температуре, значит, для ее выплавки нужна специальная печь. Медные орудия труда быстро приходят в негодность – ножи и лемехи притупляются, молоты деформируются, заступы и рычаги гнутся. Выход очевиден, нужно заменить медь более легкоплавким и прочным металлом. Это и произошло в конце четвертого тысячелетия до нашей эры, когда в Месопотамии была изобретена бронза – первый в истории человечества сплав разнородных металлов.

Бронза — сплав меди с оловом, свинцом, алюминием, бериллом или иным металлом. При этом основой сплава является медь, а другие металлы используются в качестве добавок. В зависимости от применяемой добавки бронзу называют оловянистой, алюминиевой, бериллиевой и так далее. А сплав меди с цинком называется уже не бронзой, а латунью. Латунь обладает иными свойствами, чем бронза. Если бронза тверже меди, то латунь мягче, пластичней. Отсюда и применения этих сплавов. Бронза используется там, где нужна прочность, латунь – где нужна пластичность.

Первая бронза изготовлялась из меди, олова и свинца. Применение в сплаве других металлов позволило упростить технологию производства металла и, как следствие, сделать металлические орудия более доступными. Повсеместное распространение бронзовых орудий труда заняло два тысячелетия и длилось, по крайней мере, до конца первого тысячелетия до нашей эры. Эта эпоха была настолько важна для развития мировой цивилизации, что получила название «бронзовый век». Именно благодаря изобретению бронзы первобытные сообщества, существовавшие на территории современной Индии и Китая, превратились в древние государства.

Каждое новое открытие можно сравнить со ступеньками лестницы, ведущей к вершине развития человеческого общества. Первые орудия труда были изготовлены путем изменения формы того или иного предмета. Например, каменный топор – это обтесанный булыжник. Деревянное копье – заточенный ствол тонкого деревца. Лук – обработанный деревянный хлыст с натянутой на его концы тетивой.

Следующая ступень — медные орудия труда, которые изготовлялись путем изменения физического состояния металла. Содержащаяся в колчедане медь выплавляется из руды, затем расплавленный металл заливается в форму и остужается. Таким образом, медь переходит из твердого состояния в жидкое, а затем снова переводится в твердое состояние. При этом металлическому слитку можно придать любую форму – клинка, наконечника копья, чаши. Остывший металлический предмет подвергают механической обработке, спиливают заусенцы и неровности, затачивают рабочую поверхность лезвия или полируют стенки металлической чаши.

Примерно то же самое происходит и с глиной. Ее размачивают, увеличивая пластичность, вылепляют из глины какой-либо предмет (например, кухонный горшок), а затем обжигают, придавая глине твердость и прочность. При этом частицы глины спекаются между собой, и пластичный природный материал приобретает новые качества.

И в том, и в другом случае речь идет об изменении физического состояния природного материала. Бронза же — материал, которого в природе не существует. Отдельно медь, олово и свинец обладают совершенно различными свойствами. Свинец очень пластичен, тяжел и плавится при относительно небольшой температуре. Олово прочней, легче  и обладает большей тугоплавкостью. Медь относительно прочна, плавится при высокой температуре. Но соединенные в сплаве эти металлы приобретают совсем другие свойства.

По сути, бронзовый сплав – первый в истории человечества искусственный материал. Взяв за основу хорошо известные металлы, древний ремесленник изготовил то, что никогда ранее не видел и о свойствах чего не мог даже догадываться (раз не видел). Скорее всего, изобретение бронзы произошло случайным опытным путем. Неудовлетворенный мягкостью и тугоплавкостью меди, металлург древней Месопотамии решил проверить, что будет с разными металлами, если их соединить в одной печи. А может, сплав получился сам по себе, когда в тигель с расплавленной медью по ошибке влили расплавленный свинец.

В пользу случайности изобретения бронзы говорит тот факт, что на протяжении двух тысячелетий бронзовые предметы появились в обиходе сообществ, которые никак не могли общаться между собой – например, в древних государствах Азии и в Южной Америке. Как бы там ни было, но бронза стала первым и далеко не последним искусственным материалом, изобретенным по воле счастливого стечения обстоятельств и по причине возникшей в этом материале потребности.

Из некоторых областей применения бронза вытеснила медь, в других областях – ее дополнила. Орудия труда и оружие стали изготовлять не из меди, а из более твердой бронзы. Посуда же и предметы искусства остались медными. Бронзовые предметы не имеют такого эффектного вида, как предметы из меди. В силу своих свойств бронза быстро окисляется и покрывается тусклым слоем окисла – патиной. Медь тоже окисляется, но слой медного окисла светлей и легко очищается. На парусных судах, на которых детали оснастки изготавливались из меди, для приведения корабля в парадный вид металлические кнехты, колокол (на «морском» языке – рынду) и другие медные части было принято начищать до блеска. Этот обычай сохранился до сих пор, правда, медных деталей на современных кораблях заметно меньше, и вместо «надраивания» кнехтов их просто окрашивают свежей краской.

Кстати, в кораблестроении медь бронзе свое место не уступила. Кроме оснастки, медь применялась для крепления досок обшивки корпуса корабля к шпангоутам – поперечным ребрам, придающим корпусу судна форму. То есть корабельные гвозди были медными, поскольку медь не поддается коррозии в соленой морской воде.

И все же со временем бронза, как основной материал для изготовления металлических орудий труда, утратила свое значение. С открытием железа и изобретением высокопрочных сплавов – разного рода сталей – бронза отошла на второй план. В качестве материала для изготовления украшений она уже не годилась, поскольку эстетические вкусы человеческого сообщества изменились в пользу драгоценных металлов – золота и серебра. Какими-либо особыми физическими качествами, как, например, легкоплавкие свинец и олово, медные сплавы тоже не обладали. Поэтому им остались «незначительные роли».

Где и как бронза применяется сегодня? В области искусства – раз. Для изготовления предметов парадной символики (тоже, кстати, вид прикладного искусства) – два. В различных технических устройствах – три. Легко пересчитать по пальцам. Между тем, современные города украшены бронзовыми памятниками и монументами. Скульптура из бронзы ценится не меньше, чем скульптура из благородного мрамора. Покрывающая поверхность бронзового изваяния патина — лучшее доказательство древности скульптуры. Прикасаясь к прохладным скульптурам, украшающим улицы Москвы, Санкт-Петербурга, десятков российских городов, мы чувствуем дыхание истории. Даже сам медный всадник – памятник Петру Первому – вовсе не медный. Он — бронзовый.

Ни одна церемония награждения государственными, церковными или спортивными наградами не обходится без бронзовых медалей. Сама по себе бронза ценности не представляет. Это не золото или серебро, предмет из которого можно переплавить в слиток и не потерять при этом в стоимости (если речь, конечно, не идет о предметах исторических или представляющих культурную ценность). Но бронза была и остается символом благородства и гордой скромности. Бронзовая медаль третья по достоинству, после серебряной и золотой. И, тем не менее, это медаль. Знак благодарности и знак особой почести.

А что касается техники, то бронзу можно обнаружить повсюду. Из нее изготовляются подшипники трения – бронзовые втулки, обладающие малым коэффициентом трения, поскольку бронза, как и медь, хорошо притирается к поверхности, образуя едва ли ни идеальную пару с сопрягаемой деталью. К тому же бронзовые втулки достаточно долговечны, медь в подшипниках трения длительное время эксплуатации вряд ли выдержит. В двигателе любого автомобиля содержится добрый килограмм бронзовых втулок. А в ходовой части – еще столько же.

Вот и выходит – шесть тысяч лет бронзе, а заменить ее до сих пор не чем.

 
По всем вопросам, связанным с работой сайта, обращайтесь по адресу: webmaster@elcode.ru