ПАРАДОКСАЛЬНЫЙ МЕТАЛЛ
ПАРАДОКСАЛЬНЫЙ МЕТАЛЛ
В 1955 году в одном из номеров американского журнала "Современные металлы" появилась небезынтересная статья, автор которой назвал титан "парадоксальным металлом", имея в виду его противоречивые свойства. А противоречий у металла действительно оказалось предостаточно.
В самом деле, сырье для производства титана имеется в изобилии, добыча руды обходится очень недорого, а металл в деформированном виде в то время стоил дороже, чем серебро. Даже сейчас титан никак не назовешь дешевым материалом.
Еще один парадокс. Точка плавления титана лежит за пределами 1600 °С, но уже при температурах чуть выше 400 °С защитная оксидная пленка на его поверхности повреждается, металл насыщается газами и прочность его значительно понижается. Небольшие добавки других элементов повышают жаростойкость титана на 600 °С, однако такой показатель, конечно же, недостаточен для того, чтобы конкурировать с жаростойкими сплавами на основе железа и никеля.
Сварка титана с титаном не представляет особой сложности, но методы сварки этого металла с другими не разработаны до сих пор. Невозможность сварки титана с различными металлами представляет собой серьезную проблему, на решение которой расходуется много времени и средств. Любопытно и то, что, будучи цветным металлом, титан претерпевает фазовые превращения подобно железу и стали — металлам черным.
Рентгеновские исследования показали, что при комнатной и не слишком высокой температуре кристаллическая решетка у титана — шестигранной формы. С дальнейшим повышением температуры атомы титана перегруппировываются. Решетка
принимает форму куба и сохраняет ее вплоть до точки плавления.
Положения статьи можно развить и продолжить.
В азотной кислоте титан демонстрирует превосходную стойкость. Но вот что произошло однажды на американской военной базе Ванденберг. К запуску готовили очередную ракету. Обслуживающий персонал был достаточно квалифицированным и хорошо выполнял знакомую работу. Ничто как-будто не предвещало катастрофы. Но вот бак для окислителя стали заполнять азотной кислотой и в этот момент ракета взорвалась! Тревожно завыли сирены, засуетились машины скорой помощи, грузовики со спасателями помчались к месту аварии. В чем же причина взрыва и последующего пожара? Обслуживающий персонал не допустил никаких оплошностей, никаких нарушений. Но кто-то же был виновен в случившемся? Позднее выяснили, что этот ”кто-то” — титан, из которого был изготовлен бак для окислителя.
Да, титан показывает в концентрированной азотной кислоте завидную стойкость и практически в ней не разрушается. Но иногда при соприкосновении с кислотой, насыщенной оксидами азота, с так называемой красной дымящей азотной кислотой, титан, если он находится под напряжением, может взорваться. Причина кроется в том, что при определенном соотношении в кислоте воды и оксида азота защитная пленка на поверхности титана разрушается и начинается бурная химическая реакция, при которой выделяется водород и много тепла. А затем — взрыв! Взрывная волна в мгновение ока срывает с титана всю защитную пленку и тогда металл загорается.
Но загораются не только ракеты и не обязательно в контакте с кислотой. При определенных условиях порошок титана может вспыхнуть безо всяких контактов с огнем или с какими-либо пожароопасными веществами. Он может загореться самопроизвольно. Точно так же самопроизвольно способны вспыхивать и мелкая стружка, и титановые опилки. Стружка покрупнее может загореться от спички.
Огонь способен возникнуть и на листах титана, которые извлекают из травильных ванн, если температура раствора очень высокая.
Погасить горящий титан очень непросто. Обычно горение обеспечивает и поддерживает кислород, но титан горит даже тогда, когда в воздухе совершенно нет кислорода — ведь этот металл вступает в реакцию с азотом и горит в нем. Чтобы потушить титан, не прибегают к помощи пены, углекислого газа из огнетушителя, воды, которая, попадая на горячий металл, мгновенно разлагается на составляющие элементы — водород и кислород. Образуется гремучая смесь, которая тут же взрывается. Но чем же, в таком случае, тушат воспламенившийся титан? На помощь приходит специальный огнетушительный порошок или совершенно сухой песок. Они и справляются с полыхающим огнем титаном.
Справедливости ради надо заметить, что воспламенение титана случается очень и очень редко, причем почти всегда только в том случае, если недостаточно соблюдались меры предосторожности. Крупные же куски и обрезки металла сами не загораются. Впрочем, то, что титан способен воспламеняться, не всегда плохо. Пиротехники, например, считают, что основное достоинство титана как раз в этом и состоит: ведь благодаря этому можно устраивать ослепительно яркие фейерверки.
В магнитном поле титан не отталкивается подобно меди, золоту или серебру, но и почти не обладает магнитной восприимчивостью. И если железо, никель и некоторые другие металлы сильно притягиваются магнитным полем и остаются намагниченными, когда никакое поле на них уже не действует, то титан можно смело считать практически немагнитным материалом, так как его магнитные свойства выражены очень слабо.
Часто для бытовой электропроводки используют алюминий, так как он проводит электрический ток не намного хуже меди. В подобной роли мы никогда не увидим титан и не потому, что металл этот относительно дорог. Сколько бы ни снижалась его стоимость, электропроводность металла останется постоянной: в тридцать с лишним раз хуже, чем у меди.
Это тоже странно, так как металлы тем и отличаются от неметаллов, что хорошо проводят электричество и тепло. А вот титан — не такой. Кстати, и тепло он проводит тоже плохо.
Титан тверже железа, его ни в коем случае нельзя назвать мягким металлом. Алюминий, мы это прекрасно знаем, тоже не так уж и мягок. Так вот титан в двенадцать раз тверже, чем
алюминий, и однако Однако твердость его далеко не всегда
достаточна. Особенно это проявляется в тех случаях, когда нужно получить острую кромку, которая обладала бы режущими свойствами.
На одном из предприятий была выпущена опытная партия комплектов столовых приборов. Но когда хозяйки пустили в ход кухонные ножи с лезвиями из титана, разочарованию не было границ: ножи были тупыми и ничего не резали. Экспериментаторы решили было, что ножи просто плохо заточены и интенсивно принялись точить лезвия. Но лезвия по-прежнему остались тупыми. В чем же дело?
А в том, что для ножей титан — недостаточно твердый металл. Их обычно делают из особотвердой инструментальной стали, которая гораздо тверже титана. Поэтому затачивать ножи из титана — пустая затея. Вот почему в комплектах хирургических инструментов из титановых сплавов лезвия скальпелей сделаны не из титана, а из стали. В титановых же столовых наборах только вилки и ложки пригодны к употреблению, а что касается ножей, то они выполняют скорее декоративные, чем непосредственно режущие функции.
Титан имеет и другую характерную особенность, которая в еще большей мере препятствует широкому его использованию в трущихся узлах и деталях. Речь пойдет о склонности титана к налипанию, поверхностному схватыванию с другими металлами, в результате чего детали очень быстро выходят из строя.
При трении титан как бы прикипает к поверхности других металлов. Это приводит к тому, что металлические частицы отрываются от основной массы детали, причем если титан соприкасается с металлами, более твердыми, чем он, то вскоре они оказываются покрытыми слоем растертых частиц титана. И наоборот, если металлы более мягкие, то их частицы отрываются и прирастают к титану. Как в том, так и в другом случае, итог малоутешителен: детали как бы съедают одна другую.
Чтобы при трении изделия не разрушались, обычно применяют смазку, которая в значительной мере ослабляет трение. Это — обычно. Но титан — металл необычный, парадоксальный. Вот и при смазке он нисколько не изменяет своих свойств по части трения и налипания — не помогают масла и жиры, ни мыла, ни спирты и кислоты, ни другие обычно с успехом применяемые смазочные материалы. Даже твердая смазка — и та недостаточно эффективна. Лишь только графит и сернистый молибден оказываются более или менее пригодными смазочными веществами, но лишь в течение непродолжительного времени.
И все же титановые сплавы используют для изготовления трущихся деталей. Благодаря различным трудоемким методам обработки повышается твердость поверхности и намного уменьшается склонность металла к налипанию и задирам, что уменьшает износ деталей.
По склонности к налипанию в сомнительных случаях можно очень точно определить — титан ли тот металл, который у вас в руках. Если по мокрому стеклу провести куском металла и после этого на стекле останется серо-белая черта, значит, это действительно титан. Проба на искру также позволяет легко узнать его среди других металлов: при соприкосновении с абразивным кругом титан испускает пучок белых блестящих искр.
Как уже известно, титан противостоит действию серной кислоты только в том случае, если она очень разбавлена и ее концентрация не превышает 5 процентов. Чем выше концентрация, тем интенсивнее коррозия. Но как вы думаете, когда титан разрушается сильнее: находясь в 40-процентной или же в 60-процентной серной кислоте? Вы, вероятно, решите, что в более концентрированном растворе титан будет и корродировать болев интенсивно. Но в действительности все наоборот. Сначала, правда, титан в 60-процентной кислоте разрушается сильнее, но через несколько часов коррозия его почти совершенно прекращается.
Титан беззащитен против галогенов — фтора, иода, брома, хлора. Погруженный в жидкий бром, металл уже через 15 минут вспыхивает и сгорает дотла. То же самое происходит с титаном и в сухом газообразном хлоре с той, правда, разницей, что воспламенение наступает несколько позже — через сутки. Но если в хлоре будет совершенно мизерное количество влаги (хотя бы одна частичка воды на 20000 частей хлора), поведение металла меняется самым разительным образом и из совершенно нестойкого материала он делается абсолютно стойким в этой среде. Что и говорить, действительно, странный, парадоксальный металл!
Металл, который внезапно вспыхивает и горит так яростно, что его погасить почти невозможно, — успешно используют для противопожарных переборок. Металл, который может взорваться, — широко применяют в ракетных и самолетных двигателях.
А стоит ли того большого внимания, которое ему уделяют, такой капризный металл с целой массой недостатков? Он легкий, да, этого не отнимешь, но ведь алюминий гораздо легче, а о магнии и говорить не приходится... Что же касается прочности, то специальные стали гораздо прочнее его. И по стойкости против коррозии он тоже не чемпион: некоторые металлы превосходят его, причем металлы эти не благородные, а (хотя и редкие, и более дорогие) такие же рядовые, как он, — тантал, к примеру, или цирконий.
Все это так. Но, уступая некоторым другим металлам в легкости, прочности, стойкости против коррозии, титан остается по-прежнему уникальным материалом. Ведь он — единственный металл, сочетающий в себе все перечисленные свойства и тем самым как бы работающий за троих. Именно такое сочетание оправдывает все его недостатки, с избытком компенсируя затраты и трудности, связанные с его производством и применением.