Самые легкие металлы | ТМ 1934-06

Л. К. ДАВЫДОВ

Девять человек из десяти на вопрос, какой металл самый легкий, уверенно и без колебаний ответят: «алюминий». Но они будут неправы.

Существуют металлы еще более легкие, чем алюминий. Таких металлов семь: стронций, магний, кальций, бериллий, калий, натрий и литий.

Литий например вдвое легче воды и плавает на ее поверхности, как пробка. Популярность алюминия объясняется тем, что в сравнительно короткий срок он прочно и крепко вошел в наш технический и бытовой обиход. Из алюминия (главным образом из его сплавов) изготовляется самый широкий ассортимент изделий: от кухонной посуды до самолетов и железнодорожных вагонов. Почему же алюминий получил такое широкое распространение? Во-первых, алюминий при всей своей легкости отличается высокими механическими качествами: он хорошо поддается прокатке, штамповке и ковке как в горячем, так и в холодном состоянии. Сырье, т. е. глинозем, необходимое для его производства, очень распространено в природе. Само производство алюминия обходится сравнительно дешево. Это сочетание ценных свойств обеспечило алюминию особенно широкое применение в авиастроении, где вопрос снижения веса самолета является решающим.

Металлический литий в керосине для предохранения от окисления. 
Фото Л. Рихтер

При перевозке тонны какого-либо груза нам приходится перевозить почти столько же мертвого груза, который падает на вес перевозочного средства: железнодорожного вагона, автомобиля, дирижабля и др. Вес самолета, поднимающего 1,2 т полезного груза, равен 4,5 т. Вес обычного ж.-д. вагона, поднимающего 20 т, равен 16 т. Известный американский специалист У. Б. Монкей подсчитал, что США ежегодно теряют до 10 млн. долларов на горючем, шинах, преждевременной амортизации оборудования и других расходах благодаря непроизводительной перевозке этих мертвых грузов. Отсюда ясно, как важно снизить вес перевозочных средств во всех видах транспорта.

И первым ответом металлургии на настоятельную потребность промышленности в легком и дешевом металле было развитие производства алюминия и его сплавов. В течение немногих лет алюминий из довольно дорогой редкости становится одним из наиболее употребительных металлов.

Успешное применение алюминия в технике и быту подало мысль использовать и более легкие металлы.

Магний много легче алюминия, его удельный вес 1,74, в то время как удельный вес алюминия 2,7.

До настоящего времени металлический магний использовался как материал, дающий при сгорании яркую вспышку ослепительно белого света.

Как и другие шесть легких металлов, магний не может быть использован в чистом виде как поделочный материал. Он слишком мягок и непрочен, плавится до мягкости при сравнительно низкой температуре (около 650°), быстро разъедается водой и воздухом.

Кусок металлического магния

Несмотря на то, что магний известен уже более ста лет (впервые был выделен английским химиком Бюсси еще в 1830 г.), его промышленное использование едва насчитывает 20 лет. В Германии продажа магния в количествах, достаточных для промышленности, началась лишь в 1909 г., а в Америке еще позднее — в 1915 г.

Сейчас мы используем в производстве собственно не сам магний, а его сплавы с незначительными количествами других металлов (алюминий, медь, марганец, цинк и др.). Сплавы эти оказались вполне пригодными для промышленного применения в качестве поделочного материала.

Наибольшее распространение получил металл электрон. Этот сплав содержит от 90 до 98 проц. магния, от 3 до 7 проц. алюминия и в микроскопических дозах цинк, медь и марганец.

Электрон имеет удельный вес 1,76 (против 2,7 алюминия) и превосходит алюминий своими механическими свойствами, оказывая большое сопротивление разрыву, изгибу, излому и т. п.

Электрон легко поддается холодной и горячей обработке резанием и давлением. Его можно обрабатывать даже на станках для дерева. Это сделало электрон вполне пригодным материалом для промышленности.

Ряд мировых авиационных фирм применяет магниевые сплавы и в частности электрон для серийной постройки самолетов и авиационных моторов. Из магниевых сплавов делают листовой материал для обшивки, пропеллеры, колеса, баки для горючего, нервюры (ребра крыла самолета), отдельные части мотора (например карбюраторы, картеры) и другие детали оборудования.

Применение магния позволило снизить на 200 кг вес шестиместного пассажирского самолета. А это в свою очередь дает возможность увеличить дальность беспосадочного полета на 500 км или, сохраняя ту же дальность полета, принять дополнительно двух пассажиров, что на 30—35 проц. удешевляет эксплуатацию самолета.

Широкое поле для использования магниевых сплавов открывается и в области производства ручных инструментов.

Американский опыт показал, что при работе облегченными инструментами (электрическая ручная дрель, заклепочная машина, отбойный молоток, перфоратор) утомляемость рабочего уменьшается, а производительность труда увеличивается пропорционально снижению веса инструмента.

Магний интересен еще и тем, что это единственный металл, добываемый не только из руд, но и из минеральных вод. Крупная американская фирма «Даухэмикаль» извлекает магний из минерального источника. При этом рассол, содержащий до 3 проц. хлористого магния, выкачивается по трубам из глубины 365 м и поступает в гигантские баки, вместимостью до 4 500 м³. Затем рядом процессов отделяют сопутствующие магнию бром и хлористые натрий и кальций, использующиеся как побочные продукты. Выделенный хлористый магний освобождается от остатков воды (обезвоживается) и в расплавленном состоянии подвергается электролизу, т. е. разложению с помощью электрического тока. Металлический магний всплывает на поверхность в виде серебристой пленки. Пленка эта собирается, отливается в бруски стандартной формы, и в таком виде магний поступает в продажу. На получение 4 кг металлического магния расходуется тока 22,7 квт-часа (расход тока на 1 кг металлического алюминия — 19 квт-час).

В течение нескольких лет производство магния увеличилось в 20 раз, и цена его (на американском рынке) снизилась с 5 долларов до 30 центов за фунт, следовательно магний только на 30 проц. дороже алюминия.

Мировое производство магния до кризиса, поразившего конечно и магниевую промышленность, составляло приблизительно 6 тыс. т в год. При этом нужно помнить, что магний имеет довольно обширное применение в области военной техники, где он применяется для пиротехнических целей. Это официальной статистикой не учитывается. Поэтому истинная величина производства магния, вероятно, значительно больше, чем 6 тыс. т в год. Сырьевые ресурсы магниевой промышленности практически неисчерпаемы. Магний составляет 2,5 проц. всей земной коры и чрезвычайно распространен на земной поверхности в виде различных минералов. Особенно богат магнием минерал карналлит, колоссальные залежи которого имеются и у нас в СССР, на Урале.

Огромное количество солей магния растворено в океане. Магний составляет 3,7 проц. всех растворенных в морской воде солей. Довольно часто встречаются минеральные источники и озера, богатые солями магния, так например имеющиеся у нас в Союзе озера Сакское и Старое (в Крыму) и озеро Эльтон содержат миллионы тонн магния.

Советский союз приступает к развертыванию своей магниевой промышленности. На Урале на базе Соликамских карналлитов строится магниевый завод. Этот завод вместе с уже построенным заводом калийных удобрений позволит наиболее полно использовать имеющееся там сырье. В системе Днепровского комбината создается предприятие для добычи магния из солей вышеуказанных озер. Эти предприятия обеспечат нам экономическую независимость в области магниевого производства. Советская авиапромышленность получит необходимые ей легкие сплавы собственного производства.

Следующий металл, над промышленным освоением которого работает современная техника,— это бериллий. Он несколько тяжелее магния (удельный вес —1,84), к тому же производство его обходится сравнительно дорого.

Однако бериллий имеет сравнительно высокую точку плавления, близкую к точке плавления железа, он плавится только при 1 280°. Поэтому сейчас делаются попытки применить бериллий для изготовления деталей, подвергающихся воздействию высоких температур, т. е. там, где магний вследствие своей легкоплавкости неприменим.

Добавление ничтожного количества бериллия в медные и алюминиевые сплавы увеличивает их прочность во много раз. Покрытие медной проволоки и жести тонкой пленкой бериллия делает их значительно более прочными и жесткими, не снижая электропроводности.

Бериллий довольно редко встречается в природе. Высокая цена бериллия (до 100 долларов за 500 г) затрудняет его внедрение в промышленность. Если даже считать, что при постановке массового производства бериллия стоимость его может быть снижена на 40-50 проц., все же это не позволит ему пока получить широкое распространение.

Однако сейчас как за границей, так и у нас в СССР ведутся интенсивные работы по изысканию нового, более дешевого способа промышленного производства бериллия.

Развитие воздушных линий, быстроходного наземного транспорта (аэропоезд Вальднера, шаропоезд Ярмольчука), строительство огромных цельнометаллических дирижаблей и, может быть, в ближайшем будущем ракетных летательных снарядов — все это предъявляет к металлургии огромные требования на легкие металлы и заставляет весьма настойчиво искать новые пути, которые дадут нам возможность использовать и такие легчайшие металлы, как литий, кальций, натрий и др.

Если нашу эру можно условно назвать эрой железа и стали, то следующая эра несомненно будет эрой легких сплавов.