Металл Века.

3-е издание, переработанное и дополненное.

ВМЕСТО ПРЕДИСЛОВИЯ.

Стремительно развивается научно-технический прогресс в наш бурный век. И многим своим завоеваниям обязан он тем, что люди научились получать великолепные конструкционные материалы, среди которых одно из первых мест занимает титан.

Первыми металлами, которые стали использовать люди, были золото, серебро и медь. Эти материалы встречаются в самородном состоянии и отличаются своим внешним видом от обычных камней. Из них сразу же, без обработки, можно делать вещи. Но заменить кремень или нефрит они не могли, так как были слишком мягкими для того, чтобы из них можно было сделать нож, топор и молот. К тому же самородки встречаются очень редко. Поэтому из металлов сначала изготовляли только украшения и предметы домашнего обихода.

Потом, очевидно, люди заметили, что если в костер случайно попадали хрупкие зеленые камни (медный колчедан), то они превращались в медь. И тогда наши предки стали искать зеленые камни и намеренно класть в костер, чтобы получить больше меди.

Так, по всей вероятности, родилась металлургия — искусство извлечения металлов из руд. Произошло это около шести тысяч лет назад. Вскоре люди научились выплавлять серебро, олово, свинец.

Хотя добывать медь было сравнительно легко и она хорошо обрабатывалась, изделия из нее для работы не годились — меди недоставало твердости. А твердость имела решающее значение. Сплав меди с оловом — бронза — оказался тверже, прочнее, чем каждый из этих металлов в отдельности. И бронза пришла на смену камню. Наступил бронзовый век. Он продолжался около двух тысячелетий.

Во втором тысячелетии до нашей эры открыли способ извлечения железа из руды, и сначала в странах Древнего Востока, а затем и в других наступает последний период первобытной эпохи — железный век.

Обладая полезными свойствами, железо вместе с тем было недорогим металлом, что выгодно отличало его от меди и бронзы. Неудивительно, что сравнительно быстро железо сделалось главным материалом в военной технике того времени, общественном производстве, в быту. Железные орудия труда намного ускоряли и облегчали расчистку лесов под пашни, способствовали развитию полеводства и различных ремесел.

Однако дерево и камень долго не уступали места металлам. Еще двести лет тому назад они безраздельно господствовали в строительстве, из дерева в основном строили суда. Только с развитием крупного машинного производства металлы становятся важнейшими конструкционными материалами, без которых немыслимы современная жизнь и культура.

Вплоть до XVIII века людям были знакомы лишь семь металлов: золото, серебро, медь, олово, железо, свинец и ртуть. Но затем начинается бурный расцвет химии и металлургии. Развитие металлургии идет параллельно с развитием техники, промышленного производства. Появляются все новые виды стали и чугуна, цинк, никель, хром, целая группа драгоценных и тугоплавких металлов. Благодаря развитию электротехники своеобразную "эпоху возрождения” переживает медь.

Значение металлов в человеческом обществе все более возрастает. Переворот в технике происходит с интенсивным развитием алюминиевой и магниевой промышленности. В последние десятилетия человечество получило в свое распоряжение группы редких металлов. И вот уже в наши дни, в самые последние годы на авансцену истории "поднимается” новый промышленный металл — титан.

Титан — распространенное многозначное слово. С детства наслышаны мы о титанах — легендарных героях-гигантах, один из которых, по имени Прометей, подарил людям огонь, научил их ремеслам и жестоко поплатился за это.

Титанами называют людей, обладающих колоссальной творческой энергией, подвижников, борцов. Получил имя Титан и самый большой спутник планеты Сатурн. Но чаще всего, пожалуй, словом ”титан" называют большой кипятильник.

И, может быть, не все знают, что есть еще одно значение слова ”титан” — химический элемент, металл и что в этом значении слово с каждым годом становится все более распространенным. Это говорит о том, что растет популярность и самого металла, расширяется его применение в народном хозяйстве.

Титан с большим правом, чем алюминий, можно назвать металлом нашего века, точнее — второй его половины, так как этот новый конструкционный материал впервые стали производить и использовать только в пятидесятые годы. Впрочем, титан называют металлом XX века. И как много значений у слова "титан”, так много эпитетов и наименований у самого металла. "Вечный”, "парадоксальный”, "металл сверхзвуковых скоростей”, ”металл будущего” — вот только некоторые из них.

Почему же столько имен у титана? Отчего только совсем недавно стали использовать материал, открытый еще в XVIII веке? Что он собой представляет, каковы его свойства, как его получают и где применяют? Об этом и рассказывает книга.

Часть I. ИСТОРИЯ ТИТАНА.

Глава 1. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕМЕНТА.

ХОББИ СВЯЩЕННИКА.

Семь металлов древности, а также сера и углерод — вот и все элементы, с которыми человечество познакомилось за многие тысячелетия своего существования вплоть до XIII века нашей эры. Восемь веков назад начался период алхимии. Он продолжался пятьсот лет, и за эти пять веков в качестве побочных продуктов алхимических поисков и при переработке руд металлургами было выделено еще пять химических элементов: мышьяк, сурьма, цинк, висмут, фосфор. В первой половине XVIII века были открыты платина, кобальт и никель. Таким образом, еще двести с небольшим лет назад людям были известны всего 17 химических элементов.

Со второй половины XVIII века начала формироваться современная химия. На смену алхимикам, пытавшимся искусственно получить золото, пришли химики-аналитики. Многовековой застой в химии кончился. За несколько десятилетий были исследованы сотни ранее неизвестных соединений, открыты многие химические элементы. Поисками новых веществ занимались не только ученые-химики, но и многочисленные любители. Одним из таких любителей был английский священник Уильям Грегор.

Грегор родился в 1762 году в графстве Корнуэлл, окончил полный курс Оксфордского университета и, будучи еще студентом, обращал на себя внимание незаурядными и разносторонними способностями. Молодой человек увлекался музыкой и литературой, живописью и математикой. Но самым серьезным его увлечением была минералогия. В 1783 году он стал бакалавром искусств, а еще через шесть лет получил ученую степень магистра.

Внешне жизнь его нисколько не была выдающейся и если бы не занятия минералогией, никто бы сейчас и не помнил, что жил когда-то на свете такой человек.

В своих записках об открытиях и свойствах новых минералов, о их химических свойствах выдающийся шведский ученый.

Якоб Берцелиус неоднократно упоминал Грегора, называя его ^знаменитым минералогом”. Но был ли Грегор по-настоящему знаменит? Да и был ли он минералогом в самом точном значении этого слова? Вряд ли можно ответить на эти вопросы утвердительно.

Конечно, у Грегора имелась неплохо оборудованная лаборатория, поиску и анализу минералов он отдавал много времени и энергии (он стал со временем одним из создателей Геологического общества Корнуэлла и активнейшим членом этой организации) , но все это было занятием для души, своеобразным видом отдыха, то есть тем, что мы называем сейчас словом ”хобби”. И вполне вероятно, что на этом поприще, во время досуга святой отец мог бы и не добиться успехов. Но ему повезло.

ЭТО НЕ ИЗВЕСТЬ!

Однажды, исследуя окрестности прихода, в долине Менакин Уильям Грегор нашел любопытный песок. Песок был черный, как антрацит, притягивался магнитом, между его черными крупицами находилось небольшое количество обычного песка — мелкого, грязно-белого.

Придя к себе в лабораторию, Грегор первым делом растворил пробу найденного песка в соляной кислоте и тогда стало ясно, почему крупицы притягивались магнитом: они почти наполовину состояли из соединений железа. Остаток пробы Грегор поместил в серную кислоту и все вещество, кроме незначительного количества кремнезема, растворилось. Нагревание раствора привело к образованию мутноватой, напоминающей молоко суспензии, которая не стала прозрачной и после добавления значительного количества кислоты. После упаривания раствора на дне сосуда остался белый порошок.

Поначалу Грегор решил, что это особый вид извести. Но, оказалось, это была не известь. Порошок, подвергавшийся прокаливанию, желтел, а если при этом добавляли активированный древесный уголь, то он приобретал голубой цвет. Исследования порошка привели Грегора к выводу, что это соединение представляет собой оксид неизвестного металла.

У молодого священника был приятель, некто Хавкинс, занимавшийся минералогией профессионально. Грегор и сообщил ему о своем открытии. Хавкинс, ознакомившись с материала.

-ми опытов, подтвердил, что Уильяму Грегору действительно удалось открыть новый химический элемент, и посоветовал передать в "Физический журнал” статью о результатах анализа темного магнитного железняка. Грегор так и сделал. И его сообщение вскоре увидело свет. Было это в 1791 году.

Минерал, обнаруженный Грегором, по имени местности, где он впервые был найден, вскоре назвали менаканитом, а белый оксид нового элемента получил название — менакин. Не получил имени только новый металл.

МЕТАЛЛ ОБРЕТАЕТ ИМЯ.

Известный немецкий химик, член Берлинской Академии наук Мартин Генрих Клапрот познакомился со статьей Грегора в том же 1791 году. Публикация не произвела на него особого впечатления. Новый металл? Что же в этом особенного? Тогда новые элементы открывали один за другим едва ли не каждый год. Правда, нередко случалось, что открытия на поверку оказывались мнимыми, но многие исследователи в самом деле обнаруживали новые вещества.

Сам Мартин Клапрот, например, двумя годами раньше открыл уран и цирконий, а незадолго до этого были открыты теллур, молибден, марганец, барий, вольфрам. В то время Клапрот не был еще иностранным почетным членом Академии наук в Петербурге и профессором Берлинского университета, однако уже был достаточно авторитетным ученым.

Клапрот был сторонником воззрений великого французского химика Антуана Лавуазье, внесшего большой вклад в химию как в науку, основанную на точных измерениях, начало которой положил Михаил Васильевич Ломоносов.

Руководствуясь законом сохранения массы, открытым Ломоносовым, Лавуазье впервые правильно объяснил явление горения как процесс соединения вещества с кислородом и целым рядом работ опроверг ошибочную теорию флогистона.

Как и у каждого незаурядного человека, у Лавуазье было много противников и немало сторонников. Положения французского химика поддержали многие ученые в разных странах, в том числе и Мартин Клапрот, способствовавший распространению этих воззрений в Германии.

Но, разделяя взгляды великого химика на процессы превращений веществ, Клапрот в корне не соглашался в проектом новой химической номенклатуры, предложенным Лавуазье и другими французскими химиками. Создатели номенклатуры предложили называть элементы, основываясь на свойствах веществ. Для большинства известных в то время элементов предложено было оставить прежние названия, только в наименованиях трех из них решено было отразить основные химические свойства.

Кислород был назван оксигеном (родящим воздух), водород — гидрогеном (родящим воду), а слово ”азот” означало ” безжизненность” газа. Но уже тогда было очевидно, что азот далеко не безжизненный элемент. А что можно было сказать о названиях, даваемых впервые открытым химическим элементам? Требовалось быть по меньшей мере пророком, чтобы предвосхитить основные их свойства и отразить в наименовании . . .

Принцип, предложенный французской химической школой, подвергся резкой и справедливой критике. Клапрот тоже критиковал этот принцип.

Проект новой химической номенклатуры был завершен в 1787 году, а когда два года спустя Клапрот открыл новые элементы, он дал им наименования, основанные на совершенно иных принципах, чем предлагали французские химики.

Один из открытых им элементов Клапрот назвал ураном, так как исследование этого металла почти совпало с открытием планеты Уран. По старой, идущей еще от алхимиков,традиции каждой из планет небесной сферы соответствовал определенный металл. Немецкий химик помнил об этой традиции и, не мудрствуя лукаво, последовал ей.

С цирконием дело обстояло иначе. На Цейлоне был давно известен как драгоценный камень минерал гиацинт. В XVIII веке гиацинту дали минералогическое название "циркон”. Обнаружив в этом камне соединение нового элемента, Клапрот назвал металл по имени минерала, в котором он был найден, то есть цирконием.

В 1795 году, анализируя минерал, известный в то время как "красный венгерский шерл”, Клапрот выделил из него оксид неизвестного элемента. Предстояло назвать новый металл. Клапрот по этому поводу писал следующее: ”Для вновь открываемого элемента трудно подобрать название, указывающее на его свойства, и я нахожу, что лучше всего подбирать такие названия, которые бы ничего не говорили о свойствах и не давали бы таким образом повода для превратных толкований. В связи с этим мне захотелось для данной металлической субстанции подобрать, так же, как и для Урана, имя из мифологии; поэтому я называю новый металлический осадок титаном — в честь древних обитателей земли”.

Догадываясь, что титан и элемент, обнаруженный Грегором, один и тот же металл, Клапрот провел сравнительный анализ красного венгерского шерла и менаканита. Из минерала, открытого английским священником, немецкий химик выделил точно такой же металлический белый оксид, какой недавно получил при анализе венгерского шерла. Плотности обоих веществ оказались одинаковыми, и Мартин Клапрот признал приоритет Уильяма Грегора в открытии нового элемента. Но "крестным отцом” титана все же был признан Клапрот.

Немецкий ученый назвал новый химический элемент титаном, как он полагал, временно. Но это название прижилось. Давно уже нет в помине ни "менакина", ни "менаканита”, ни "красного венгерского шерла”: все эти вещества носят другие названия. А имя ”титан” осталось. Красивое и величественное, оно уводит нас в древнегреческую мифологию.

ДЕТИ ЗЕМЛИ.

. . . Все произошло из вечного источника жизни — безграничного Хаоса. Из Хаоса возникли и сама Земля — богиня Гея, и Тартар — подземная бездна, черная и ужасная. Из Хаоса же появилась и Любовь — Эрос, неодолимая, всепобеждающая. И когда родилась Любовь, начал* создаваться мир.

Богиня Гея родила Урана — огромное Небо, раскинувшееся над нею. Уран стал владыкой мира и Гею он взял себе в жены. Но дети у них рождались уродами. Сначала это были три великана. Пять-десять голов у каждого из них и сто рук.

Против Сторуких ничто на целом свете не могло устоять, сила их была безгранична. Затем произвела Гея на свет трех других великанов — Циклопов с одним глазом во лбу. Уран ненавидел своих детей и возвращал в лоно Земли-матери, чтобы не видеть. Это вызывало у Геи страдание, давило и мучило ее.

Но вот, наконец, родились титаны — боги, похожие на огромных людей. Эти божества были бессмертны, умели перевоплощаться и ведали всем на свете. Одни титаны летали над землей ветрами, поднимались бурями и гремели грозами, другие — высоко в небе сияли звездами, иные владели морями и реками, лугами и лесами, горами и долинами. Сколько их было— никто не знает.

Не было у титанов врагов, множилось их счастливое племя, не зная страданий. И все было бы хорошо, да уж очень мучилась мать-Земля, благодатная Гея. Не давали вздохнуть ей гиганты, заключенные в ее недрах. Призвала она детей своих, титанов, и повелела восстать против власти Урана. Но титаны не посмели поднять руку на отца. Только самый младший из них, любимец Геи, коварный Крон согласился исполнить материнскую.

Волю и хитростью низверг Урана. Сам же захватил власть и воцарился над миром.

Облегченно вздохнула Гея: вышли на свет Сторукие и Циклопы. Но как только увидел их Крон — испугался безудержной мощи гигантов, поручил Циклопам сковать адамантовые цепи. Циклопы выковали оковы и Крон надел эти цепи на самих кузнецов и на Сторуких и снова вверг их в бездну Тартара.

Предание гласит, что, когда к власти пришел Крон, наступил золотой век. Дети земли не знали ни страданий, ни огорчений. Во всей красе раскрылась присущая им моральная чистота. Титаны на редкость правдивы, верны своему слову, необыкновенно стойки. Хитрость — качество, о котором они даже не подозревают. Они уверены в своей могучей силе и всегда рассчитывают только на нее. Титаны не знают ни в чем предела, они как сама природа — такие же неистовые и безудержные. Если они любят — то навсегда, если борются — то до победы или полного изнеможения и даже гибели, а если страдают — то чашу страдания выпивают до дна.

Титанам чуждо коварство. Но не таков титан Крон. Хитростью пришел он к власти, жестокостью пытается удержаться на царском троне. Знает он, что свергнет его один из потомков, и поэтому заставляет жену свою, титаниду Рею, приносить ему каждого родившегося ребенка и проглатывает его. Так погубил он уже пятерых. Не хотела Рея потерять еще одно свое дитя. И поэтому, когда подошел ей срок разрешиться от бремени, удалилась она на остров Крит и там, в пещере, родила сына Зевса. В этой пещере Зевс остался расти, а Рея завернула в пеленки продолговатый камень и дала проглотить его Крону. Тот не заметил обмана.

Вырос могучий бог Зевс и восстал против жестокого отца. С помощью волшебного зелья освободил он своих братьев и сестер, томившихся в чреве у Крона, а затем, по совету Геи, вывел из Тартара подземных кузнецов — одноглазых Циклопов.

И в благодарность за освобождение те выковали ему грозный перун, мечущий громы и молнии, а также и оружие для братьев.

И разгорелась жестокая битва двух поколений богов. Титаны сражались за свою вольность, за независимость, а младшие боги — за власть над миром. Десять лет длилась эта борьба, но никому не удалось добиться победы. Тогда решился Зевс освободить Сторуких, перед силой которых не могло устоять ничто.

В горной Фессалии разыгрался решающий бой. Титаны стояли на отрогах Офридского хребта, а дети Крона укрепились на горе Олимпе. Огонь охватил землю, закипели моря и реки. Но титаны были несокрушимы и уже подступали к Олимпу. Вот кликнул Зевс сторуких чудовищ и вступили они в бой. Сторукие отрывали от гор целые скалы и бросали в титанов. Сотни рук у чудовищ и сотни скал бросали они. Застонала Земля, все заходило ходуном. Зевс пронзал титанов огненными стрелами молний.

И дрогну ли титаны. Уступили они силе, соединенной с лукавством. Гордость не позволяла им прибегнуть в бою к обману, к хитрости, наивная вера в собственную природную мощь как в силу, которая может победить без помощи оружия, подвела их. Правдивость и простота сослужили им плохую службу. Заковали олимпийские боги титанов и сбросили в Тар- тар — самую глубокую часть преисподней, а вокруг вечно бушуют вихри. Приставлены к побежденным титанам Сторукие, чтобы стеречь их как самых грозных и сильных узников.

Властвуют над миром боги-олимпийцы во главе с громовержцем Зевсом. Глубоко в черной бездне томятся титаны. Они бессмертны и потому осуждены вечно жить в подземелье. Но жизнь их похожа на небытие, так как от мира земного они навсегда отлучены.

Титаны же вод и неба покорились власти богов-олимпийцев и остались в своей стихии, чтобы исправно действовали светила, моря, реки и ветры, чтобы был в мире порядок.

Но борьба олимпийцев с титанами закончилась далеко не сразу. Многие из побежденных не покорились и время от времени выступали против Зевса и его приближенных, и долгие века Зевс и его сын Аполлон будут снова низвергать восставших в Тартар.

Некоторых титанов олимпийцы наказали иначе.

. . . Небо стоит на трех столпах, подножия которых уходят в преисполню. Восточный столп — Кавказ. Средний столп, на котором держится небо, — гора Этна, а на западе стоит столпом титан Атлант. Накрепко приросли к краю небес у Атланта руки и вросли в землю ноги. На веки вечные обречен он держать страшную тяжесть небесного свода. Так наказал его Зевс за попытку свергнуть власть олимпийцев.

За Атлантом находится крайняя грань земли, которую омывает мировая река — океан. По небесной дороге к океану спускается Солнце — титан Гелиос. Он выпрягает из своей колесницы коней, купает их, затем плывет вместе с ними в золотой лодке на восток, туда, где прикован к кавказской скале титан Прометей — непримиримый борец с произволом богов-олимпийцев, бесстрашный защитник людей. Это он похитил отнятый богами огонь и снова принес его людям, научил их зодчеству и медицине, мореплаванию и письму и многим другим искусствам. В наказание Зевс и велел приковать Прометея к скале, собственноручно пробил грудь титана копьем. Каждое утро к скале прилетает огромный орел и клюет печень титана, страдающего за людей и за правду. Каждую ночь вновь отрастает печень, а наутро снова вонзает свой клюв орел в живую плоть.

Так продолжалось тысячелетия, и все это время не сдавался титан, жестокие муки не сломили его несокрушимую волю, пока, наконец, непобедимый герой Геракл не убил хищную птицу и не освободил Прометея . . .

Вот что поведали миру древние греки о своих богах и героях. И с тех пор Прометей и другие титаны стали символом мужества, бесстрашия, исполинской мощи.

В их честь и назван металл, обладающий, как выяснилось впоследствии, богатырской прочностью и несокрушимой стойкостью. Имя, случайно данное элементу Клапротом, оказалось пророческим.

ТИТАН В ПРИРОДЕ.

Титан входит в первую десятку самых распространенных элементов нашей планеты.

В пятнадцатикилометровой толще земной коры его более половины процента: почти все кристаллические горные породы, пески, глины и прочие составляющие поверхности нашей планеты содержат титан. Содержание титана в почвах (а речь может идти только о его соединениях, так как в свободном виде титана в природе нет) в различных районах земного шара колеблется от половины до полутора процентов. В землях Европы, к примеру, полпроцента титана, в землях Азии — вдвое больше. В основных почвенных зонах Европейской части СССР содержание титана колеблется от одной до трех четвертей процента. Больше всего титана в глинах, в суглинках его меньше и совсем немного в известковых почвах. Меньше всего титана в пахотных землях и в пустынях. Высокий процент титана обнаружили в глинистых грунтах Средиземноморских Альп, в окрестностях Дели, в почвах Бразилии. На острове Святой Елены, где провел свои последние годы Наполеон Бонапарт, количество титана в земле доходит до двух с половиной процента. Но никакие другие земли не могут соперничать с красноземами Западного Самоа, содержание титана в которых колеблется от восьми до двенадцати процентов!

Титан находят в вулканической пыли, в газах, выделяющихся из кратеров вулканов, в каменных материалах. В 1866 году с помощью метода спектрального анализа наличие титана обнаружено в атмосфере Солнца. Элемент этот находится на ближайшей к нам звезде в ионизированной форме. Линии, соответствующие титану, открыты в спектрах большинства звезд.

Но вернемся на Землю. Теми же методами спектрального анализа титан обнаружен в морской воде, в водах Дуная, в горячих ключах Японии и минеральных водах Испании, в каменном угле и в торфе, в сырой нефти и других веществах.

В различных лабораториях мира подвергают исследованиям сотни видов зерен, плодов, стеблей, деревьев, кустарников, определяя содержание в них микроэлементов. Во многих растениях есть титан, правда, его меньше, чем в почвах, на которых они растут. Титан в растениях исчисляется сотыми и тысячными долями процента. Впервые он был там обнаружен немецким химиком Адергольдом в 1852 году.

Довольно высокое содержание этого элемента характерно для листьев табака, для водорослей, сахарного тростника, лука. Из других культур наиболее богаты им бобовые и гречиха. А вот плоды какао совсем не имеют титана. Бедны титаном морковь, люцерна, картофель, земляной и лесной орехи. Но о кокосовом и грецком орехах этого сказать нельзя. Наличие титана отмечено в семенах хлопка, подсолнечника, в красном клевере, каштане, тыкве, кукурузе, а также в различных деревьях.

Титан в живых организмах впервые обнаружил английский химик Риз в 1835 году. Растения, как правило, концентрируют титан в больших количествах, чем животные, но многие организмы тоже содержат немало этого элемента. К ним в первую очередь необходимо отнести крабов, устриц, ракушек, целый ряд рыб и других обитателей морей.

Титан найден в тканях лошадей, овец, собак, кроликов, телят, причем больше всего титана содержится в легких, печени, волосяном покрове и в почках животных.

В организме взрослого человека находится около 20 миллиграммов титана. Особенно богаты этим элементом селезенка, надпочечники и щитовидная железа. Так как титана сравнительно много в почвах, то мы постоянно вдыхаем его вместе с обычной пылью и, по-видимому, именно этим обстоятельством объясняется тот факт, что у пожилых людей в легких чуть ли не в сто раз больше титана, чем у новорожденных, тогда как в других органах количество элемента постоянно и с возрастом не меняется.

До сих пор неизвестно, какую роль выполняет титан в человеческом организме, но степень его концентрации позволила советскому академику В.И. Вернадскому высказать предположение о том, что титан нужен для организма и выполняет какие-то определенные жизненно важные функции. Во всяком случае на сегодняшний день точно установлено, что титан безвреден для людей и животных.

В медицинской литературе описан случай, когда один человек, очевидно, желая покончить с собой и не найдя под рукой ничего более существенного, принял внутрь почти полкилограмма диоксида титана. Никаких серьезных последствий для организма эта лошадиная доза не вызвала.

Небольшое количество титана есть в костях и зубах человека, в материнском молоке. Японские ученые установили, что титан находится и в волосах, но только в светлых, так что, выходит, шатены, брюнеты и рыжие этим элементом "обделены”.

Обнаружено также, что титан — составная часть коровьего молока, куриных яиц и многих других пищевых продуктов.

Таким образом по распространенности в природе титан занимает среди металлов четвертое место (после алюминия, железа и магния). В земной коре он составляет 0,6 %, то есть втрое больше, чем медь, цинк, никель, ванадий, хром и марганец вместе взятые.

Глава 2. НА ВТОРЫХ РОЛЯХ.

ОШИБКИ И ЗАБЛУЖДЕНИЯ.

Первую ошибку в исследованиях свойств титана совершил Клапрот. Наблюдая реакцию взаимодействия диоксида титана с железосинеродистым калием, немецкий химик отметил, что при этом образуется осадок зеленого цвета, тогда как в действительности осадок был желто-коричневым. На это указал русский ученый Товий Егорович Ловиц, тщательно изучивший свойства соединений титана, которые находятся в титано-магнетитовых рудах. О своих исследованиях Ловиц рассказал в статье "Показание некоторых замечаний о титане”, опубликованной в химических анналах Крелля за 1799 год. Правда, ошибка Клапрота была не столь уже принципиальной. Дальше последовала целая цепь ошибок намного серьезнее, сменявших друг друга на протяжении более чем вековой истории.

В течение всего XIX века ученые разных стран безуспешно пытались получить металлический титан, который практически был бы свободен от примесей. В природе не существует титана в чистом виде и предстояло извлечь этот металл из его чрезвычайно прочных соединений. Задача была не из легких и многие авторитетные химики попадали впросак.

В 1822 году ошибся известный английский химик Волластон. Исследуя найденные в шлаке металлургического завода кристаллы, он пришел к выводу, что они представляют собой титан, свободный от примесей. Выдающийся шведский ученый Йенс Якоб Берцелиус присоединился к мнению Волластона. Это заблуждение просуществовало почти 30 лет, пока, наконец, немецкий химик Фридрих Вёлер, сжигая эти кристаллы в струе хлора, не доказал, что ”титан” Волластона представляет собой химическое соединение титана с азотом и углеродом. Впрочем, принять соединения титана за чистый металл было нетрудно: ведь они отливали металлическим блеском, отличались твердостью и тугоплавкостью. Но всем нитридам, карбидам и низшим оксидам титана присуща хрупкость, и хрупкость эту ошибочно приписывали самому элементу.

В 1825 году, восстанавливая фтортитанат калия, Берцелиус пытался получить свободный титан, но эта попытка не дала ожидаемых результатов: металл был загрязнен большим количеством примесей. На протяжении XIX века выделить элемент пробуют многие ученые из разных стран: Вёлер и Девиль, Мерц и Керн, Эбельман, Нильсон и Петерсон, Леви, Муассан и другие. Шведские химики Ларе Фредерик Нильсон и Отто Петерсон получили металл из четыреххлористого титана при помощи натрия в герметическом стальном сосуде. Титан шведских химиков содержал 5 процентов примесей.

Относительно чистый титан в прошлом веке был получен, по всей вероятности, французским химиком Анри Муассаном. Муассан восстанавливал диоксид титана древесным углем, представляющим собой почти чистый углерод. Реакция проходила в известковом тигле при очень высокой температуре. Извлеченный таким способом металл содержал 5 процентов углерода, а последующей очисткой удалось снизить количество примесей в два с половиной раза. Спустя много лет два музейных металлических образца титана, полученного Муассаном, подвергли химическому анализу. Выяснилось, что образцы снаружи были окружены как бы стенкой из железа и карбида титана, а внутри находился относительно чистый металлический титан.

В России опыты над соединениями титана проводил Дмитрий Кириллович Кириллов. Талантливый ученый был тяжело болен, но вынужден был тратить свои личные средства не на серьезное лечение, а на проведение сложных опытов над титановыми рудами, так как царское правительство денег на научные исследования ему не давало. Работе с титаном Кириллов уделял почти все свое время, остающееся после чтения лекций в Московском университете. Результаты своих экспериментов Дмитрий Кириллович опубликовал в брошюре "Исследования над титаном", увидевшей свет в 1875 году.

Но научный поиск Кириллова остался незамеченным. Полученные результаты не привлекли внимания, не послужили базой для дальнейших исследований, не стали отправной точкой для более совершенных опытов и уже через небольшой промежуток времени были забыты. Такое пренебрежение к отечественной науке, равнодушие к ее достижениям и судьбам незаурядных ее представителей были характерными для всего периода существования царского самодержавия.

Наступил XX век, а элемент титан так и не был выделен в свободном состоянии. И Дмитрий Иванович Менделеев, делая обзор элементов IV группы, в своем последнем прижизненном издании "Основ химии", вышедшем в 1906 году, говорил не о металлическом титане, а о четырех его минералах — рутиле, титанистом железняке-ильмените, сфене и перовските. Впрочем, и о соединениях титана в книге говорилось немного. Почему? Об этом сказано буквально следующее: ”Так как титан и цирконий довольно редки в природе, имеют мало практического применения и не представляют новых форм соединений, то мы над ними не можем подробно останавливаться в этом сочинении”.

НЕОПРАВДАННЫЕ НАДЕЖДЫ.

Принято считать, что первым технически чистый титан получил американский химик Хантер в 1910 году, через 120 лет после открытия элемента. Хантер с сотрудниками трудился в известной фирме ”Дженерал электрик компани”, занимаясь поиском новых тугоплавких материалов для волосков электрических ламп. В то время предполагали, что титан, если его удастся получить в чистом виде, должен плавиться при очень высокой температуре.

Вначале Хантер пытался выделить элемент из фторотитаната натрия при помощи калия в стальном цилиндре. Но лучшие образцы получаемого продукта содержали в себе только две трети титана. Остальную треть составляли примеси. Тогда ученый решил пойти по другому пути. Он попробовал восстановить металл из фторотитаната бария, но и это не дало сколько-нибудь ощущаемых результатов. После этого Хантер стал экспериментировать с оксидами титана.

По методу Муассана был получен титан, загрязненный небольшим количеством углерода, — карбид титана. Из этого соединения путем хлорирования получили четыреххлористый титан. Его очень тщательно очистили, в результате чего образовалась бесцветная, как бы кипящая от взаимодействия с воздухом жидкость. Дальше Хантер с сотрудниками использовал метод Нильсона — Петерсона, проявив максимум осторожности, чтобы не допустить воздух в реакционный сосуд.

В этот стальной реактор — так называемую ”бомбу” емкостью 1 литр — были помещены полкилограмма четыреххлористого титана и вдвое меньшее количество металлического натрия. ”Бомбу” нагрели так, что стенки ее раскалились докрасна. И тогда раздался оглушительный взрыв: между находящимися в сосуде веществами произошла мгновенная химическая реакция.

Полученный продукт представлял собой небольшое количество спекшихся металлических бусинок и порошка.

После охлаждения и промывки бусинки подвергли химическому анализу и оказалось, что удалось получить металлический титан практически без примесей. Но металл разочаровал исследователей.

Предположение о его необычной высокой тугоплавкости не подтвердилось. Основываясь, вероятно, на тугоплавкости титана, загрязненного углеродом, думали, что.

Чистый металл будет плавиться при температуре еще более высокой — чуть ли не при 6000 °С,

Превзойдя тем самым вольфрам и другие тугоплавкие материалы.

Надежды не оправдались. Выяснилось, что чистый титан плавится уже при температуре около 1800 °С и о его применении для нитей накаливания не могло быть и речи.

Но поскольку чистый металл получен, надо исследовать его свойства. Исследовали. И убедились, что титан — очень хрупкий материал, не пригодный для механической обработки. Ковать его можно было только в нагретом состоянии, а при обычной температуре металл рассыпался на куски от незначительного удара. И титан, подобно калию, натрию, кальцию, был отнесен к разряду "бесполезных” металлов — так называемых "элементов для химиков", с которыми можно экспериментировать, но которые не годятся для практического использования.

Но вряд ли и Хантеру удалось получить действительно чистый титан. Данные анализа свидетельствовали, что примесей в титановых бусинках содержалось не более 0,1 процента. Если бы это в самом деле было так, свойства полученного металла оказались бы совершенно иными. Металл, загрязненный даже впятеро большим количеством примесей, в наши дни находит широкое практическое применение. Именно такой титан производят промышленные предприятия. Кроме того, когда начали получать действительно чистый металл, обнаружили, что его точка плавления гораздо ниже того вещества, которое исследовал Хантер.

Трудно сейчас сказать, какой же все-таки частоты был получен тогда металл, но неверное представление о титане как о металле, не пригодном для применения в технике, существовало еще долгие годы. Соединения титана стали использовать значительно раньше чистого металла, но следует подчеркнуть, что и это произошло только спустя столетие после открытия элемента.

САМАЯ ЛУЧШАЯ КРАСКА.

Чистый диоксид титана — это белый порошок, который при нагревании желтеет. Когда же он остывает, к нему вновь возвращается чистый белый цвет. Диоксид титана не имеет ни запаха, ни вкуса, не растворяется в воде. Он устойчив к воздействию слабых минеральных и концентрированных органических кислот, сравнительно устойчив в щелочах. Это вещество — самое стабильное среди химических соединений, обладающих красящими свойствами.

Диоксид титана применяют в различных отраслях промышленности, но главнейший его потребитель — лакокрасочное производство. Впервые титановая белая краска была изготовлена из минерала рутила в 1870 году, однако промышленное ее производство началось только в первые десятилетия XX века. Титановые белила превосходят все другие белые краски по целому ряду свойств.

В картинных галереях особенно заметно, как тускнеют со временем полотна живописцев прошлого. Свинцовые белила, которые в старину часто добавляли к краскам, на воздухе теряют первоначальную яркость. Титановые белила помогли бы сохранить картины, но, к сожалению, художники эпохи Возрождения и других минувших времен еще не располагали такими красками.

Кроме стойкости в атмосфере, титановые белила, как и чистый диоксид титана отличаются химической стойкостью против кислот и щелочей. Мало того, они безвредны для человека, чего нельзя сказать о свинцовых белилах.

Важное свойство любого красителя — укрывистость, способность перекрывать цвет поверхности, которую окрашивают. Вполне понятно, что чем выше кроющая способность (укрывистость), тем меньше требуется краски.

По своей кроющей способности диоксид титана в несколько раз превосходит другие белила, что позволяет существенно снизить расход материалов и затраты труда. Титановые белила применяются для окраски дерева и металла, мостов, надводной и подводной частей кораблей, так как белила стойки и водонепроницаемы.

Этот краситель подчеркивает яркость насыщенных цветов и ярче оттеняет пастельные тона, а также позволяет добиться самого интенсивного белого цвета. Благодаря свойственной им нетоксичности титановые белила можно применять для окраски игрушек, на предприятиях пищевой индустрии, в больницах, ресторанах, столовых, при получении бумаги для упаковки пищевых продуктов.

При помощи диоксида титана можно добиться также высокой степени глянца. Поэтому его используют в промышленных лаках для отделки автомобилей и электроприборов. Он делает бумагу белой и непрозрачной, его употребляют при изготовлении типографских красок, отделочных красок для кож, матовых и глянцевых паст для печатания по ткани. При помощи диоксида титана придают матовый оттенок синтетическому шелку, окрашивают в белый цвет резину, линолеум, полихлорвиниловые покрытия и другие виды пластических масс. Его применяют при .производстве тугоплавких стекол, глазурей, эмалей; он входит в состав люминесцентных покрытий, фарфоровых масс, мыла, медицинских и косметических препаратов, придает белизну искусственным зубам. Благодаря тому, что коэффициент преломления световых лучей у диоксида титана гораздо выше, чем у алмаза, из крупных ее кристаллов делают искусственные драгоценные камни. Диоксид титана — очень хороший изолятор. Это его свойство используется в электротехнике и радиопромышленности. Он служит ускорителем.

Выпуск диоксида титана растет с каждым годом, причем уровень его производства гораздо выше уровня производства металлического титана.

Кроме диоксида в качестве красителя применяют и другие соединения титана. Для окраски обоев используют ярко-зеленое вещество — железосинеродистый титан. Желтые и оранжевые красители получают из некоторых титансодержащих минералов. Из отходов титанового минерала сфена приготовляют розовую краску для штукатурных работ. Оксалатотитанаты калия и аммония применяют для окраски тканей, высококачественных кож. При соединении с определенными веществами эти соли придают изделиям золотистую, желто-коричневую и черную окраску, очень прочную и не изменяющуюся под действием света.

СКРОМНЫЙ ПОМОЩНИК.

Титан давно нашел применение в черной металлургии из-за своей способности образовывать устойчивые соединения с различными примесями. Благотворное влияние этого металла на чугун и сталь было замечено еще в самом начале нашего века. Для сталеплавильного производства используют не очищенный титан, а так называемый ферротитан — сплав титана с железом, загрязненный большим количеством углерода. Если же в сталь нужно ввести титан и кремний, используют сплавы титана с железом и кремнием.

Когда титан попадает в жидкую сталь, обычно содержащую кислород, азот, углерод, он прежде всего соединяется с кислородом и, поглощая его, образует диоксид титана.

Поглощение кислорода из расплавленной стали называется ее раскислением. Вначале титан применяли только для этой цели, но затем выяснилось, что добавки металла в чугун и сталь приносят много и другой пользы. Ведь титан не только раскисляет сталь, но и существенно повышает ее чистоту, освобождая от силикатов марганца и железа, которые, соединившись с титаном, всплывают на поверхность расплавленного черного металла, откуда их уже нетрудно удалить. Однако польза, которую приносит титан, не ограничивается и этим.

В процессе остывания стали первоначально образующиеся кристаллы всегда бывают гораздо чище остающейся расплавленной массы; последняя же порция затвердевающего металла содержит наибольшее количество углерода, фосфора, серы и других вредных примесей. Эти загрязнения переходят из слитка в изделия, что приводит к их преждевременному разрушению. Было время, когда сталь раскисляли небольшим количеством кремния. Железнодорожные рельсы, сделанные из такой стали, часто выходили из строя, потому что в местах наибольшего скопления примесей появлялись трещины. Когда же металл начали обрабатывать титаном, количество трещин уменьшилось во много раз, так как сера, фосфор и углерод стали равномерно распределяться по всему сечению рельса благодаря большей химической активности титана.

Эта способность титана была широко использована в годы второй мировой войны, когда потребовалось упростить обработку стали при производстве снарядов, мин и других видов вооружения. Сталь обрабатывалась намного легче, если в ней содержалось серы больше обычного. Но серу следовало распределить в стали равномерно, мельчайшими частицами. С такой задачей успешно справился титан.

Справедливости ради следует все же признать, что лучший раскислитель стали — алюминий. Именно его почти всегда используют для выплавки мелкозернистой стали, так как, во-первых, он гораздо дешевле титана, во-вторых, его требуется меньше и, в-третьих, его намного проще использовать. Но для сталей, которые имеют склонность к росту зерна, алюминий применять нельзя. Тогда и применяют титан, который не только хорошо раскисляет металл, но и очищает его, равномерно распределяет примеси в его толще, намного улучшает качество поверхности стального листа.

В сталях с промежуточной зернистостью добавкой титана предупреждается появление и мелких, и крупных зерен, а в мелкозернистых сталях, для которых с успехом используется алюминий, титан способствует образованию правильной микроструктуры.

Соединения различных элементов с азотом называются нитридами. Нитрид титана — одно из самых прочных химических соединений. Способность титана связывать азот намного выше, чем тантала, алюминия, бора, ванадия и кремния. Другие же элементы, обычно используемые в сталеварении, пр^ высоких температурах образуют с азотом неустойчивые соединения, а значит, и не могут его обезвредить. Примеси азота в стали Делают ее чересчур пористой. Но если такую сталь расплавить и добавить в нее титан, дефект устраняется и слиток получается полноценным.

Вступая в реакцию с азотом, титан не только переводит его в нерастворимое состояние, но и уменьшает общее его содержание в стали. Это объясняется тем, что кристаллы нитрида титана, поскольку они значительно легче стали, стремятся всплыть на поверхность и переходят в шлак, который легко удалить. Нитрид титана нашел и самостоятельное, очень эффективное применение.

8 мая 1986 года в газете "Известия” под заголовком ”Золо- той блеск титана” был опубликован следующий текст: ”Внешне инструмент из быстрорежущей стали с новым износостойким покрытием выглядит позолоченным. И хотя в нем нет и грамма драгоценного металла, рабочие называют его золотым. Впрочем, он заслуживает такого определения не за внешний вид...

В нашей стране на 22 специализированных инструментальных заводах Минстанкопрома организовано производство широкой номенклатуры инструмента из быстрорежущей стали с износостойким покрытием на основе нитрида титана. Такой инструмент обеспечивает повышение производительности труда на 50 процентов и более, стойкость его в три- четыре раза превышает надежность обычного инструмента, что особенно важно при эксплуатации на станках с числовым программным управлением и в гибких производственных системах. Экономический эффект от внедрения новшества в народном хозяйстве уже превысил 41 миллион рублей. Разработанная технология защищена 20 патентами, 17 авторскими свидетельствами и получила широкое признание на международном рынке — лицензии на нее закуплены США, ЧССР, НРБ и Кубой”.

Отрадный факт. Небольшие добавки титана в литую сталь повышают ее прочность, улучшают все механические свойства и упрощают ее термическую обработку. Нередко титан добавляют в сочетании с бором, что обеспечивает лучшую прокаливаемость стали и обработку на токарных станках.

Добавление титана в чугун улучшает его обрабатываемость. И не только обрабатываемость, но и стойкость против ржавления, высоких температур, повышает сопротивляемость разрушающим воздействиям трения. Когда титан вводят в расплавленный чугун, содержащий большое количество углерода, титан и углерод вступают в реакцию между собой и образуют мелкие кристаллы карбида. При затвердевании чугуна частицы карбида титана выступают в роли центров кристаллизации и благодаря этому чугун получается с мелкозернистой структурой.

Присутствие карбида титана в инструментальных сталях уменьшает их растрескивание при закалке в воде, а поглощение титаном избытка углерода предотвращает межкристаллитное разрушение нержавеющей стали.

Титан повышает также прочность и твердость нержавеющих, долговечность жаропрочных сталей, способствует улучшению их свариваемости. Карбид титана используется не только для улучшения свойств чугуна и стали, но и в качестве самостоятельного материала для так называемых твердых сплавов, абразивов, при производстве материалов для инструментов и других важных узлов и деталей.

Впервые карбид титана был получен в 1887 году при обработке титанистого чугуна соляной кислотой. Вещество оказалось очень твердым и хрупким, обладающим некоторыми металлическими свойствами — блеском, хорошей электропроводностью. По своей жаростойкости карбид титана превосходит все другие тугоплавкие карбиды: он плавится при температуре свыше 3000 °С. В наши дни карбид титана получают прокаливанием диоксида титана с сажей в специальных индукционных печах.

Карбид титана — одно из самых устойчивых веществ, выдерживающих резкие смены температур. Он широко применяется как основа для получения жаростойких сплавов, режущих инструментов для обработки вязких материалов, благодаря высокой твердости используется для шлифования.

Вместе с карбидом вольфрама и кобальтом он входит в состав так называемых метал л о керамических твердых сплавов. Режущие инструменты, изготовленные из таких материалов, позволяют во много раз повысить скорость обработки сталей. Твердосплавные инструменты значительно повышают производительность труда в металлообрабатывающей, горнорудной, угольной и других отраслях промышленности. Они позволяют также обрабатывать вязкие материалы, с которыми не в состоянии справиться обычные резцы.

Благодаря высокой твердости, жаростойкости и жаропрочности карбид титана используется для получения материала, из которого делают лопатки турбин реактивных авиационных двигателей, защитные покрытия для сопел и головных частей ракет. Эти же свойства карбида титана, а также достаточная электропроводность и низкая скорость испарения позволяют использовать его в электродах для подводной электрокислородной резки стали и в электродах термопар, предназначенных для замера температур до 200 °С.

Из сплава карбида титана с вольфрамом делают детали насосов для перекачки расплавленного натрия, стойкие при температурах более 1000 С и давлениях, превышающих 8 атмосфер.

Соединений титана — многие сотни, но практическое применение нашли далеко не все из них. В технике используется еще соединение титана с бором — борид титана. Как и карбид, он обладает очень высокой твердостью и тоже пригоден для обработки материалов. Некоторые соединения титана применяются для проведения лабораторных анализов.

Глава 3. ОСВОБОЖДЕНИЕ ИСПОЛИНА.

ИОДИДНЫЙ ТИТАН.

Титан, полученный из тетрахлорида с помощью натрия, по мнению голландских исследователей ван Аркеля и де Бура, непременно должен содержать много оксидов и нитридов, загрязняющих материал и тем самым изменяющих его свойства. Эти ученые пришли к выводу, что самый чистый металлический титан может быть выделен не из четыреххлористого, а из четырехиодистого титана. В 1925 году ван Аркель и де Бур разработали метод повышения чистоты металлического титана, сущность которого состоит в следующем.

Черновой металл (титан, который предстоит очистить) при температурах 150—400 °С взаимодействует с иодом. Образуется четырехиодистый титан. При обычной температуре это кристаллическое вещество, цвет у него красно-бурый, оно интенсивно поглощает влагу. При высоких же температурах это соединение переходит в пар. Пары четырехиодистого титана при температуре около 1400 °С разлагаются. Молекула четырехиодистого титана распадается на составные части: на атомы титана и иода. Атомы титана осаждаются на какой-либо раскаленной поверхности, а освобожденный иод тут же соединяется с остающимся черновым металлом и снова участвует в процессе, перенося новую порцию титана на раскаленный предмет. Реакция протекает до тех пор, пока весь черновой металл, очищенный и облагороженный, не перекочует на раскаленную поверхность.

В установке, предложенной голландскими исследователями, титан осаждался на раскаленной вольфрамовой нити, медленно 26 и неуклонно обволакивая ее. Этот процесс осуществляли в стеклянной камере, из которой предварительно выкачивали воздух. Впоследствии метод ван Аркеля и де Бура усовершенствовали другие исследователи. В частности, вольфрамовую нить заменили титановой (чтобы не нарушать однородности получаемого металла), определили наиболее подходящие температурные режимы, улучшили аппаратурное оформление процесса. Но сущность способа осталась прежней.

Очистка чернового титана иодидным методом основана на том, что не все примеси, находящиеся в обычном металле, взаимодействуют с иодом и, следовательно, не все попадают на раскаленную нить. Элементы, которые вступают с иодом в реакцию, образуют неустойчивые соединения, не выдерживающие высоких температур, и тоже почти не попадают в иодидный титан. Полученный таким образом металл считается чистейшим.

Иодидный метод применяется и для очистки циркония, хрома, ниобия, тантала, ванадия, некоторых других элементов. Недостаток способа — малая производительность и высокая стоимость очищенного металла. Да, иодидный титан дороже обычного технического титана почти в двадцать раз! И все же наряду с существующими способами промышленного получения титана используется и иодидный метод.

Этим методом получают сверхчистый титан для нужд электротехники, вакуумной техники и для специальных областей применения. Яркие, внешне похожие на никель кристаллы иодидного титана используют для лабораторных исследований. Именно таким — серебристыми, сверкающими на свету кристаллами — и предстает перед человеком химический элемент титан.

ТИТАН В РЯДУ ЭЛЕМЕНТОВ.

Серебристо-серого цвета металлы, имеющие одинаковую шестигранную кристаллическую решетку и обладающие очень похожими свойствами.

Цирконий был открыт двумя годами раньше титана тем же Клапротом, а гафний — один из самь*х молодых элементов. Его существование впервые обнаружили в 1923 году.

Название новому элементу было дано от латинского корня старинного названия столицы Скандинавии — Гафн (havn) — теперешнего города Копенгагена.

Цирконий вдвое тяжелее титана, а гафний — почти втрое. Плавятся "родственники” титана при более высокой температуре, чем глава под- группы. Все три металла, поглощая кислород, становятся хрупкими, с азотом они образуют очень тугоплавкие соединения. Титан, цирконий, гафний охотно реагируют с углеродом, серой, галогенами.

Атом титана состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются 22 электрона, образуя четырехслойную оболочку. Величина заряда ядра соответственно составляет 22 элементарные единицы положительного электричества, то есть 22 протона, а количество нейтронов в ядре атома колеблется от 20 до 32.

Атомную массу титана пытались определить начиная с 1813 года. Первым предпринял такие попытки шведский ученый Берцелиус. Он получил результат, очень далекий от правильной цифры, но уже через десять лет различные исследователи в своих определениях были близки к истине. В конце XIX века для атомной массы титана было официально определено значение 48,1. В 1924 году установили, что атомная масса элемента № 22 — 47,90. Именно эту цифру вы и обнаружите, взглянув на периодическую таблицу элементов, в клетке, отведенной титану. Химический символ титана — Ti.

Титан, как уже говорилось, находится в четвертой группе периодической системы. А это значит, что во всех своих важнейших и наиболее распространенных соединениях он четырехвалентен, то есть каждый атом титана, вступая в химическую связь, отдает четыре своих электрона. Однако титан довольно легко образует и такие соединения, в которых он трехвалентен. Встречается и двухвалентный титан, но таких соединений немного и они в своем большинстве неустойчивы.

Элементарный титан — очень активный химический элемент, его химическая активность еще более возрастает при высоких температурах. По своей способности вступать в реакцию с другими элементами титан превосходит многие металлы и его металлические свойства, под которыми в химии понимают способность элемента легко отдавать электроны, ярко выражены.

Но исследователей гораздо больше интересовал элемент титан в качестве материала для технического использования. Можно ли найти ему применение в конструкциях машин, механизмов. Выяснилось, что можно. Больше того, свойства чистого металлического титана оказались настолько уникальными, что встал вопрос о немедленном использовании его для нужд специальной техники. Но способа промышленного получения достаточно чистого титана еще не существовало. Однако очень скоро был найден и он.

СПОСОБ КРОЛЛЯ.

В тридцатые годы XX века в Люксембурге усердно трудился над разработкой способа восстановления четыреххлористого титана металлическим магнием немецкий исследователь Вильгельм Кролль. Его не очень смущало то обстоятельство, что такая попытка была сделана еще в 1892 году и закончилась неудачей. Первые опыты по восстановлению титана металлическим магнием проводили в среде углекислого газа, вследствие чего получаемый металл оказывался загрязненным большим количеством углерода. Кролль же оформлял свои опыты несколько по-другому — так, чтобы не допустить попадания в металлический титан примесей водорода, азота, углерода и кислорода — самых вредных для титана, резко ухудшающих его пластичность.

Процесс шел в атмосфере очищенного инертного газа аргона при температуре около 1000 °С. Для предотвращения взаимодействия реакционной массы со стенками внутренняя поверхность реактора была облицована молибденом. Полученный металл обрабатывали слабым раствором соляной кислоты для удаления солей магния, которыми он был пропитан. Зерна титана прессовали в прутки и плавили в специальном электровакуумном устройстве, после чего металл прокатывали в полосы миллиметровой толщины. Полосы можно было сгибать не только в горячем состоянии, но и в холодном,и они не ломались. Свои опыты на крупной лабораторной установке Кролль проводил по заданию немецкого химического концерна "Сименс”. Запатентовал же он свой метод получения титана в США в 1940 году.

После тщательного изучения всех методов получения технически чистого титана специалисты из Горного бюро США остановились на способе Кролля, как самом подходящем для промышленного освоения. Начиная с 1942 года Горное бюро проводило опыты в полупромышленном масштабе на установке в Буолдер-Сити (штат Невада). Вскоре Вильгельм Кролль стал сотрудником бюро и дальнейшие эксперименты проходили при его непосредственном участии.

В установке, предложенной Кроллем, предусматривалась загрузка слитков магния в реактор из мягкой стали. Когда магний расплавлялся, в реактор начинал поступать жидкий четыреххлористый титан. Образующийся в результате реакции хлористый магний удаляли по ходу плавки. Однако некоторое количество хлорида все же оставалось и вместе с неизрасходованным металлическим магнием загрязняло получаемый титан. Кроме того, при выщелачивании крупиц титана слабым раствором соляной кислоты в готовый продукт попадало некоторое количество водорода, что снижало качество металла. Поэтому для очистки реакционной массы получила распространение в дальнейшем отгонка примесей в вакууме при высокой температуре — так называемая вакуумная дистилляция.

Возможные области применения титана по-настоящему выяснились только в 1943 году. Одним из важнейших потребителей нового промышленного металла должна была стать реактивная авиация, и вскоре после окончания второй мировой войны исследования способа восстановления металлического титана проводились особенно интенсивно. В 1946 году Горное Бюро США на основании длительных экспериментов подтвердило возможность промышленного производства титана способом, предложенным Вильгельмом Кроллем.

18 сентября 1948 года американский химический концерн ”Дюпон де Немур” объявил о начале промышленного производства нового конструкционного материала. Выпуск титана- сырца на рынок в те годы составлял всего 45 килограммов в сутки, а каждый килограмм металла стоил более 10 долларов.

Быстрый рост производства титана обусловливался возникновением и развитием новых отраслей промышленности и техники — в первую очередь космической, которая потребовала новых конструкционных материалов, обладающих высокими качествами.

Глава 4. ЗНАКОМЬТЕСЬ - ТИТАН!

ЛЕГКАЯ СТАЛЬ.

Брусок металла неяркого серебристо-серого цвета. ”Сталь” — привычно мелькает в сознании. Но стоит взять брусок в руку, как на мгновение возникает ощущение нереальности происходящего: металл оказывается удивительно, неправдоподобно легким. Это не сталь, а титан.

Любопытно наблюдать за реакцией людей, плохо знакомых с цветными металлами, когда к ним в руки попадает какой- нибудь предмет из титана. Первоначальное удивление (темный металл, а такой легкий!) сменяется недоумением, а затем убеждением, что их "разыгрывают”, и они пытаются разобраться, где же скрывается подвох: вертят предмет в руках, говорят, что внутри металла имеются пустоты и тому подобное. Но никакого подвоха нет. Титан действительно почти вдвое легче железа и всего лишь в полтора раза тяжелее алюминия. Один кубический сантиметр железа имеет массу 7,8 грамма, алюминия — 2,7, титана — 4,5 грамма. Надо признать все же, что 4,5 грамма в кубическом сантиметре не так уж и мало, особенно если учесть, что в кубическом сантиметре магния содержится 1,7 грамма, а такой металл, как литий, вдвое легче воды.

Поскольку к легким относят металлы, удельная масса которых не превышает 5 граммов на кубический сантиметр, то титан, следовательно, самый тяжелый среди легких металлов. Но и ”самый тяжелый”, он все-таки по праву принадлежит к числу легких металлов.

Однако легкость сама по себе еще ничего не решает. Легок натрий, но он плавится уже при температуре около 100 °С и как щелочной металл настолько активен, что его нельзя хранить на открытом воздухе. Хранят этот элемент в керосине. Еще легче и активнее металл литий. Он, как и остальные щелочные металлы, так непрочен, что легко режется обыкновенным ножом.

Мы привыкли к тому, что всякий конструкционный материал имеет свои достоинства и недостатки. Если алюминий,

Например, почти в три раза легче стали, то он и в несколько раз менее прочен и плавится уже при 660 градусах, тогда как точка плавления стали находится выше 1500 °С. Примерно то же самое можно сказать и о магнии.

Интересно, а насколько титан уступает стали по прочности? Титан не уступает стали: он в полтора раза прочнее! Но, может быть, этот металл плавится при невысоких температурах? Титан плавится только при 1660 °С, то есть при более высокой температуре, чем железо и сталь. Так что не зря титан отливает стальным блеском: этот отлив не обманывает.

Но, кроме хорошей прочности, конструкционный материал обязательно должен иметь и такое важное качество, как пластичность. Пластичность — это способность материала изменять свою форму не разрушаясь, и именно в этой способности титану долго было отказано. Еще в сороковые годы нашего века о титане писали, что он ”хрупок и легко превращается в порошок при дроблении в ступке”. Любопытна и следующая запись: "Попытки вытянуть проволоку из титана безуспешны”.

Меньше всего хотелось бы иронизировать над автором приведенных строк, тем более что он поставил перед собой задачу ”заполнить досадный пробел в литературе, посвященной столь важному и интересному химическому элементу”.

На протяжении полутора столетий подлинных свойств металла не знал никто в мире. Но как только стали получать титан достаточной степени чистоты, сразу выяснилось, что причиной хрупкости металла являются примеси, а чистый титан очень пластичный материал. Его куют, как железо, вытягивают в проволоку, прокатывают в листы, трубы, ленты и даже в фольгу толщиной в сотые доли миллиметра.

Титан — более упругий металл, чем магний и алюминий, но менее упругий, чем сталь. Он гораздо тверже алюминия, магния, меди, железа и почти не уступает особо обработанным легированным сталям. Титан — один из немногих металлов, которые наряду с высокой прочностью и пластичностью обладают хорошей вязкостью, то есть противостоят воздействию ударов. Этот металл характеризуется еще и таким ценным свойством, как отличная выносливость.

Важный показатель любого металла — предел текучести. Чем он выше, тем лучше металл сопротивляется нагрузкам, стремящимся смять его, изменить размеры и форму изготовленной из него детали. У титана предел текучести весьма высок: в два с половиной раза выше, чем у железа, в три с лишним раза выше, чем у меди, и почти в 18 раз превосходит этот же показатель для алюминия.

Итак, титан гораздо прочнее и легче обычной углеродистой стали, получаемой из чугуна. Но в современном машиностроении широко распространены не столько углеродистые, сколько легированные стали, то есть сплавы на основе железа с добавками никеля, хрома, марганца, молибдена, вольфрама, а также других цветных и редких металлов. Легированные стали значительно прочнее углеродистых и в несколько раз прочнее технического титана. Выходит, что титан все-таки уступает стали? Нет не уступает! Титан тоже можно легировать и тогда получают сплавы, прочность которых в два- три раза больше прочности чистого титана.

Титановые сплавы — это, быть может, самые совершенные материалы, которыми располагает современная техника. Они превосходят все другие распространенные металлы по такому важному показателю, как удельная прочность. Что это такое? Не что иное, как прочность, приходящаяся на единицу массы.

Чтобы нагляднее постичь это, представим себе такую картину. На помост выходят тяжелоатлеты. Вряд ли нас удивит то, что грузный человек поднимает большую тяжесть. Ведь так оно и должно быть: те, кто полегче, обладают, как правило, меньшей силой, а от массивного, с мощными бицепсами атлета мы ждем и высокого результата. Не зря же в тяжелоатлетическом спорте введены различные весовые категории. А теперь вообразим, что после этого тяжелоатлета на помост вышел скромный, на первый взгляд ничем не примечательный спортсмен, худощавый, среднего роста и с первой попытки покорил тот же самый вес. Кто же из них сильнее? Конечно же, худощавый!

Такую же аналогию можно провести относительно титановых сплавов и специальных сталей. Титановые сплавы почти вдвое легче, а нагрузки выдерживают почти такие же.

Если бы все достоинства титана заключались только в его легкости и прочности, то и этого было бы уже достаточно для развития титановой промышленности, так как и в этом случае игра стоила свеч и нашлось бы немало отраслей, заинтересованных в таком материале. Но, помимо прочности и легкости, титан отличается еще и замечательной стойкостью против коррозии.

КОГДА ОТСТУПАЕТ ЗОЛОТО.

Среди семи с лишним десятков металлов в периодической системе есть небольшая группа элементов, стоящих особняком. Это "химическая аристократия", так называемые благородные металлы. Как патриции среди плебеев, возвышаются они над остальными, неблагородными металлами. Ценность их подчеркивается еще и высокой стоимостью. "Аристократов" всего восемь. Золото, серебро, платину знают все. Остальные пять — металлы платиновой группы: иридий, рутений, родий, осмий, палладий.

Все эти металлы очень тяжелые и одновременно мягкие, хорошо проводят электричество и тепло, легко обрабатываются. Они плавятся при сравнительно высокой температуре, имеют красивый внешний вид. Но не это самое главное, не поэтому они благородные. Всем им свойственна стойкость против воздействия кислот, щелочей, солей и газов. Разнообразно применение благородных металлов. Их используют в химической и ювелирной промышленности, в электротехнике и зубоврачебном деле. Золото является валютным металлом.

Невозмутимость, инертность, спокойствие — вот что такое благородство металла. Золото почти ни с чем не вступает в реакцию и именно поэтому в земной коре оно находится в самородном состоянии. Сколько бы ни пролежало золото под открытым небом, оно не окислится, не заржавеет. Благодаря такой стойкости сохраняются почти в первозданном виде произведения искусства древности, утварь, украшения, которые находят в раскопках спустя тысячелетия.

Черные металлы — основные материалы для современной техники и им поручена самая черная и неблагодарная работа. Миллионы тонн чугуна и стали быстро уничтожает коррозия, и на смену им выплавляют новые миллионы.

С олимпийским спокойствием взирает на события в стане плебеев золото — царь металлов. И так же спокойно ведет оно себя при встрече с агрессивными реагентами — сильнейшими кислотами и щелочами. Золото не вступает в реакцию ни с одним из них, подобно тому как надменный аристократ не снисходит до разговора с первым встречным.

Да, золото не реагирует с сильнейшими разрушителями многих других металлов. Это — правило. Но из некоторых правил бывают и исключения. Так и здесь. Смесь трех частей соляной и одной части азотной кислоты легко растворяет ”царя”. Оттого смесь эта образно названа "царской водкой”. Точно такой результат будет и в том случае, если золото поместить в смесь азотной и серной кислот, в хлорную воду и еще в некоторые реагенты.

Если даже золото не стойко против этих веществ, то что же тогда говорить о неблагородных металлах! Как, наверное, беззащитно будут выглядеть они по сравнению с золотом!.. Но так думать нельзя, потому что предположение это ошибочно.

Как знатность по рождению не гарантирует талантов и высоких моральных качеств, точно так же и химическое "неблагородство” не умаляет имеющихся достоинств. И в хлорной воде, и в смеси азотной и серной кислот, и в разрушительной ”царской водке” при обычной температуре стоек титан!

Разумеется, это совсем не значит, что титан превосходит по своей стойкости золото и другие драгоценные металлы. В подавляющем большинстве агрессивных сред ”химическая аристократия” подтвердит свое благородство и поставит титан на место. Но все равно это не ”подрывает авторитета” нового промышленного металла: нередко он демонстрирует поистине феноменальную стойкость, и не зря пишут в серьезных научных изданиях, что по коррозионной стойкости во многих средах титан не уступает платине.

БРАТ ОКЕАНА.

Если погрузить в океан одинаковые — миллиметровой толщины — пластинки алюминия, медноникелевого сплава ”мо- нель”, нержавеющей стали и титана, то дальнейшие события будут развиваться так.

Вскоре, буквально через несколько дней, алюминий покроется серыми пятнами, а сплав "монель" станет темно-зеленым. Спустя пять месяцев со дня погружения в океан разрушится алюминиевая пластинка. Пластинка "монеля" просуществует на четыре месяца дольше. Нержавеющая сталь более стойко сопротивляется воздействию едкой воды, но и ее образец, довольно быстро сделавшись ржаво-коричневым, растворится через четыре года. Уничтожить сталь помогут ракушки и водоросли — прирастая к металлу, они вызывают разрушительную точечную коррозию.

Пройдут еще годы, десятилетия... Пластинка титана тоже обрастет водорослями и моллюсками, но будет оставаться под их слоем блестящей и невредимой. Минуют столетия, но и через века с титаном практически ничего не случится. За тысячу лет коррозия проникнет в глубь металла... на 20 микрон.

Чем же объясняется такая феноменальная стойкость? Быть может, играют роль далекие родственные связи — ведь, как вы помните, океан — тоже титан?! Нет, разумеется, мифология здесь не при чем. Просто морская вода содержит в себе растворы неорганических солей, особенно хлористые соединения, против которых титан устойчив в противоположность другим металлам.

Но ученым надо знать, как ведет себя тот или иной металл не только в спокойном состоянии, но и в условиях кавитации.

Слово "кавитация” образовано от латинского — "пустота". Чем же вредна пустота? И откуда она берется?! В движущейся воде образуются небольшие пространства (пузырьки), заполненные воздухом. Эти пузырьки очень опасны. Лопаясь, они вызывают постоянные удары жидкости о поверхность обтекаемого тела, такие систематические "выстрелы" разрушают любой материал. Титан очень хорошо противостоит гидравлической кавитации. Вот один очень характерный пример.

Диски из различных материалов вращались в морской воде со скоростью свыше 1000 оборотов в минуту. В подобных опытах особенно повреждаются внешние края диска, так как именно там потоки воды достигают наивысшей скорости. После двухмесячного непрерывного вращения титановый диск "похудел" всего на 0,05 грамма, второй же после титана по стойкости материал разрушался в 80 раз интенсивнее, и его толщина по наружной кромке уменьшилась, тогда как титановый диск нисколько не сделался тоньше.

С титаном связывают будущее судостроения — ведь в морской воде он самый стойкий из промышленных металлов. Ни бронза, ни латунь, ни все другие сплавы на основе меди и никеля не могут соперничать с ним, не говоря уже о нержавеющих сталях, алюминии или магнии.

Правда, драгоценные металлы, за исключением серебра, тоже.

Не вызывают никаких претензий по части стойкости в агрессивной среде морей и океанов, но разве можно серьезно говорить об их широком применении в конструкциях судов? Мы никогда не увидим кораблей с золотыми якорями, с платиновым корпусом или с мачтами из иридия. А вот титановые корпуса и мачты — не пустая мечта.

В мире очень много веществ, обладающих способностью активно разрушать металлы, но подавляющее большинство их получено человеком искусственно и по сравнению с природными веществами количество их еще не так велико. Однако и в самой природе есть весьма агрессивные среды и важнейшая из них — морская вода. Важнейшая потому, что добрых две трети поверхности нашей планеты занимают океаны и моря, и потому, что морская вода, как мы уже узнали, крайне разрушительно действует на металлы. Воздействие это проявляется не только в случае погружения металлов в воду, но и тогда, когда они находятся над океаном или на его берегу. И как хорошо, что люди, наконец, имеют в своем распоряжении металл, который ничуть не боится моря и запасы которого в мире огромны!

Титан очень нужен не только судостроению, но и морской авиации, различным прибрежным сооружениям. В будущем, когда суша нашей планеты будет полностью освоена, когда будут возделаны все без исключения плодородные земли, а потребность в продовольственных ресурсах будет продолжать расти, люди вплотную займутся освоением богатств мирового океана. Помогут им в этом металлы и в первую очередь ~~ титан.

Если титан настолько устойчив в морской воде, то пресная вода для него, вероятно, совершенно не представляет опасности? Да, именно так. Хотя пресная вода тоже далеко не безобидна: обычная мягкая сталь, опущенная в водопроводную воду, уже через сутки покрывается толстым слоем ржавчины. Титан же не разрушается не только в обычной холодной, но даже в кипящей воде.

Одно из коррозионных испытаний титана заключалось в том, что пластинки металла помещали в автоклав, который в свою очередь ставили в печь. Температура нагрева составляла 280 °С, в результате чего давление в автоклаве достигало 480 кПа и на каждый квадратный сантиметр титановой пластинки действовало разрушающее усилие в 140 килограммов. И так продолжалось 13 суток.

Когда же испытания закончились, взору исследователей предстали совершенно не поврежденные титановые пластинки. Они не потеряли ни миллиграмма своей массы и не утратили прочности. А ведь перед испытанием пластинки намеренно изгибали, чтобы титан находился в напряженном состоянии, так как под напряжением металлы разрушаются быстрее.

Титану не страшны никакие атмосферные осадки — ни дожди, ни туманы, ни снег, ни град, совсем не опасен воздух, загрязненный отходами промышленных предприятий. Под открытым небом титан даже не тускнеет. Вот почему его называют "вечным” металлом.

НЕВИДИМАЯ БРОНЯ.

Благородные металлы устойчивы против коррозии вследствие своего "благородства” — то есть присущей им химической невозмутимости. Но почему стоек титан? Ведь его даже при всем желании нельзя отнести к разряду инертных — это один из наиболее активных элементов, постоянно стремящихся вступить в реакцию, и именно этим прежде всего объясняется трудность его выделения из соединений. Все это так, но тем не менее металл демонстрирует завидную коррозионную стойкость.

Теоретически стойкость того или иного металла против коррозии прямо зависит и от так называемого электродного потенциала: чем он выше, тем лучше и коррозионная стойкость, и наоборот. Так вот, по подсчетам и экспериментам, электродный потенциал титана невысок и теоретически титан должен быть по коррозионной стойкости примерно таким же "середнячком”, как магний или алюминий. Чем же объясняется в таком случае его нередко прямо-таки поразительная стойкость?

Вот здесь-то как раз химическая активность металла, стремление вступать в реакцию с другими элементами служит добрую службу. Благодаря своей химической активности титан интенсивно окисляется и на его поверхности образуется тончайшая пленка диоксида титана. И где бы ни находился металл — на воздухе, в воде или в производственных агрессивных растворах — от дальнейшего взаимодействия с разрушающими веществами толщу металла защищает эта тонкая, но чрезвычайно прочная пленка. Пленка настолько тонка, что ее невозможно увидеть не то что невооруженным глазом, но даже и в обычный микроскоп. В быту мы редко пользуемся малыми величинами и кажется, что меньше микрона — тысячной доли миллиметра — нет уже никаких единиц измерения. Однако есть еще ангстрем — десятитысячная доля микрона. Вот в ангстремах-то как раз и выражают толщину оксидной пленки титана.

Хотя защитная пленка необычайно тонка, она достаточно прочна и надежна. Если ее в каком-либо месте специально сцарапать, она ”самозалечивается” и возникает снова как ни в чем не бывало. Оксидная пленка защищает титан не только от коррозии, но и от умеренного механического воздействия, поэтому металл стоек также против эрозии и кавитации.

”Лучший друг” титана — кислород, поскольку является одним из сильнейших окислителей. Другие окисляющие агенты — азотная и хромовая кислоты, вода тоже помогает титану окисляться и тем самым покрываться невидимым защитным панцирем. Наблюдается удивительная картина: окисление, тот же самый процесс, который стремительно съедает железо, превращая его в окисел — ржавчину, делает титан сказочным богатырем, не боящимся почти никаких врагов.

По этой же самой причине влага и сырость — злейшие враги железа и многих других металлов — для титана являются чем-то вроде водных процедур, закаливая и укрепляя его. Так обстоит дело на практике.

Впрочем, свежезачищенная поверхность титана, опущенного в морскую воду или другой раствор, в котором металл стоек, поначалу действительно имеет низкий электродный потенциал— гораздо ниже нуля. Но сразу после погружения потенциал начинает повышаться и вскоре из отрицательного делается положительным. Так что в действительности расхождения между теорией и практикой нет: высокой стойкостью против коррозии обладают металлы с высоким электродным потенциалом, которым обладает и титан, когда находится во многих агрессивных средах.

Поскольку азотная и хромовая кислоты — сильнейшие окислители, не удивительно, что титан не разрушается в них при любых концентрациях и при любых температурах — вплоть до температур кипения. В органических кислотах — уксусной, молочной, стеариновой, лимонной, виннокаменной и многих других — металл настолько стоек, что отполированная его поверхность нисколько не утрачивает своего блеска. Металл абсолютно устойчив во влажном хлоре и его водных соединениях, в соединениях серы, хрома. Хорошую стойкость титан демонстрирует в щелочах, растворах гипохлорита кальция и натрия.

Титан стоек и в целом ряде расплавленных металлов — в жидком магнии, нагретом до 700 °С, в горячих олове, галлии, ртути, литии, натрии, калии. (Это позволяет изготовлять из него специальные контейнеры для транспортировки перечисленных расплавленных материалов, а также черпаки для взятия проб.) Титан стоек и в расплавленной сере.

В растворах серной и соляной кислот титан не разрушается только в том случае, если концентрация их не превышает 5 процентов. Это, конечно, не бог весть какое достижение. Ведь золото, к примеру, без малейшего для себя ущерба переносит соляную и серную кислоты самой высокой концентрации. Но надо все же сравнивать титан с металлами, близко стоящими к нему по своей стоимости и доступности, а не с золотом. Так вот, нержавеющая сталь гораздо менее устойчива в тех же кислотах, чем титан. Хотя титан и разрушается, все же в 25-процентном растворе соляной кислоты он почти в 250 раз устойчивее, чем нержавеющая сталь.

Было бы очень неплохо иметь хотя бы один материал, который совершенно не подвергался бы коррозии. Увы, это нереально. В природе нет ничего вечного. Тогда, может быть, есть такой материал, который хотя и разрушается, но везде одинаково, незаметно, то есть такой, который был бы практически стоек во всех агрессивных средах? Нет и такого материала. Чудес не бывает.

Как разрушается золото — уже говорилось выше. И его "свита” тоже уязвима. В азотной кислоте растворяются палладий и осмий, в "царской водке" — палладий и платина. Серебро интенсивно корродирует при встрече с хлором, сурьмой, мышьяком.

Титан тоже не всемогущ и не претендует на то, чтобы с его помощью решать все проблемы. При контакте со щавелевой, фосфорной, с концентрированными соляной и серной кислотами защитная пленка на поверхности металла разрушается (точнее, скорость ее растворения превосходит скорость образования) , обнажается активный металл и начинается интенсивная коррозия.

Титан не стоек в пероксиде водорода, сухих хлоре и броме, в спиртовой настойке иода. Самый же страшный разрушитель титана — фтор. Совершенно незначительное количество ионов фтора вызывает стремительную коррозию металла. В плавиковой кислоте (соединении фтора с водородом) титан растворяется буквально на глазах — как сахар в горячем чае. Фтор вообще удивительный элемент, он разрушает все на свете. В его струе загораются вещества, которые обычно никогда не горят — кирпич, асбест, железо, сталь и даже... вода, если ее подогреть!

Фтор — самый активный, самый агрессивный элемент в природе, само его название в переводе с греческого языка означает "разрушающий все". И свое название фтор подтверждает на каждом шагу. Так, инертные газы (аргон, гелий, криптон, неон и др.) потому и названы инертными, что не вступают в реакцию ни с одним элементом. Ни с одним! Кроме... фтора. Этот газ светло-желтого цвета воспламеняет (если приблизить к нему) кремний и теллур, мышьяк и бром, иод и сурьму. Благородные платиновые металлы полностью проявляют свое "благородство" и при комнатной температуре не вспыхивают во фторе, как это делают названные выше элементы, но стоит платиновые металлы чуть-чуть нагреть — их постигает та же плачевная участь. И вправду, фтор — "разрушающий все"! Перед таким противником не стыдно отступить и титану.

Коррозионную стойкость титана можно повысить. Делается это различными путями. Вот один из них. В соляной и серной кислотах титан не стоек. Однако достаточно добавить в них немного азотной или хромовой кислоты, как поведение титана меняется самым разительным образом — он делается устойчивым материалом, его разрушение практически прекращается. Точно так действуют на титан и присутствующие в растворе ионы железа, меди и некоторых других металлов.

Поэтому иногда в растворы, в которых титан обычно не стоек, специально добавляют азотную или хромовую кислоту, соединения хлора и некоторые другие вещества, чтобы металл сделался пассивным, устойчивым. Способностью азотной кислоты пассивировать титан как раз и объясняется его кажущаяся столь феноменальной стойкость в "царской водке".

А бывает, что вещества, пассивирующие титан, так называемые ингибиторы коррозии, уже имеются в растворе.

В этом случае металл будет устойчив в концентрированных серной и соляной кислотах, а также в других соединениях, в которых он, как правило, разрушается.

Вот почему лучше всего исследовать стойкость титана в каждом конкретном случае, а особенно когда пригодность титана для применения в данной среде вызывает сомнения.

Ну а если в агрессивном растворе нет пассивирующих титан веществ или ввести их туда невозможно из-за особенностей технологии, что тогда? Отказаться от титана, поискать что-нибудь другое, более стойкое? Можно и так. Но только и среди более стойких, чем обычные сплавы титана, материалов тоже окажутся... титановые сплавы. Речь действительно идет о сплавах титана, но с повышенной коррозионной стойкостью.

Если в титан добавить всего две десятых доли процента благородного металла палладия, то такой сплав делается в десятки, а иногда и в сотни раз более стойким, чем обычные титановые сплавы, а сплав титана с молибденом настолько стоек, что применяется вместо золота в крепких растворах серной, соляной и других минеральных кислот.

Да, наверное, скажете вы, но при чем здесь титан? Ведь высокую стойкость против коррозии обеспечивают палладий, молибден, тантал и другие редкие и благородные металлы. И все же стоек именно титан, добавки других металлов только способствуют этой стойкости.

Если такие же количества ценных металлов добавлять в железо, алюминий, магний или другой какой-нибудь распространенный металл, эффект не будет таким впечатляющим, потому что титан в гораздо большей степени, чем другие металлы, обладает способностью к пассивации — состоянию, когда его надежно укрывает и предохраняет от разрушения тончайшая оксидная пленка — невидимая броня.

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.

Глава 5. СТРАТЕГИЧЕСКИЙ МЕТАЛЛ.

ТИТАНОВЫЙ БУМ.

Тот, кто видел фильм кинорежиссера Михаила Ромма ”9 дней одного года”, вряд ли когда-либо забудет эту сцену. Бетонный коридор, вдоль которого тянутся бесчисленные сгустки проводов. Этот длинный коридор, или туннель, символизирующий долгий путь поисков истины, как бы проходит через весь кинофильм. По коридору к вам приближается группа сотрудников ядерного института. Их несколько, но спорят двое:

Когда-то война не нуждалась в науке, а сейчас она кормит ее, ибо стала нуждаться в ней, — говорит Николай Иванович.

Выходит, спасибо войне? Вот это ловко! — возмущается оппонент.

Зря ухмыляетесь! Что, по-вашему, двинуло вперед авиацию, ракетостроение, кибернетику, радиоэлектронику?

Но оппонента, Валерия Ивановича, переубедить трудно. Однако Николай Иванович не рисуется, когда продолжает аргументировать свою парадоксальную мысль:

Кюри-Складовская своими руками .... перетаскала двадцать тонн урановой руды. А у нас любой опыт готовят триста человек. И никто нас не ограничивает. Почему?

Ну какое мы-то имеем отношение к войне? — недоумевает и возмущается оппонент. — Самый мирный институт!

А сейчас нельзя двигать одну область. Все взаимосвязано, — заявляет Николай Иванович.

Спор продолжается. Подходят знакомые, здороваются и отходят, звучат шутки, раздаются пустячные реплики, а спор не окончен. Оппонента переубедить не удалось, но последнее слово принадлежит все же Николаю Ивановичу. В дверях своей лаборатории он категорически подводит черту:

И тем не менее современная война стремительно движет науку. В этом заключается ядовитейший парадокс двадцатого века.

Парадокс — неожиданное положение, противоречащее здравому смыслу, общепринятым представлениям, но противоречие это нередко только внешнее. По всей сути мнение Николая Ивановича не просто парадоксально.

Собственно говоря, металлургия с давних пор тесно связана с военным делом. Сначала из металлов изготовляли холодное оружие, затем — огнестрельное. Постепенно совершенствовались методы получения металлов, создания сплавов с особыми свойствами. Так родились известные булат и дамасская сталь, из которых делали непревзойденные мечи и клинки.

Потребность в ружьях, пушках, ядрах, снарядах вызывала необходимость увеличения выпуска стали и чугуна, создания металлов и сплавов с особыми свойствами, так как качество материала, из которого изготовлено оружие, нередко определяло исход военных действий. На протяжении всей истории нового и новейшего времени происходит прекращающееся соревнование брони и бронебойных снарядов, дальности действия орудий и их мощи в количественном и качественном отношениях.

Однако справедливость требует того, чтобы признать: военное дело прежде всего стимулировало совершенствование уже имевшихся металлов, полученных человечеством в результате поступательного развития общества. Что же касается титана, то можно вполне уверенно сказать: не будь потребности в подобном материале в военном самолетостроении, титан до сих пор не был бы нам знаком.

С момента своего возникновения производство металлического титана имело исключительно военную направленность, было вызвано к жизни нуждами военной техники, ими поддерживалось. В США этот металл неспроста образно назвали ”\уаг- ЬаЬу” — ”дитя войны”.

По темпам роста производства титан не имеет себе равных среди других промышленных металлов.

Первые несколько килограммов металлического титана были использованы в военных американских самолетах в 1950 году — спустя пять лет после того, как американская военщина впервые применила атомное оружие для уничтожения двух японских городов. Этот зловещий отсвет лежит на становлении и развитии титановой промышленности США в бесславное время военной авантюры в Корее, в период "холодной войны”, политики ”с позиции силы”. Начатое под давлением американских военных производство титана имело сугубо военную направленность и все новшества в этой области первое время охранялись почти с такой же строгостью, как и сведения об атомной бомбе.

Одновременно со стратегическими запасами ядерных бомб интенсивно наращивались мощности по производству металлического титана.Первый титановый завод был пущен в 1951 году в городе Гендерсоне (штат Невада). Один за другим вводились в действие титановые предприятия в штатах Делавер, Мичиган, Теннесси, Огайо. Строительство заводов происходило при непосредственной помощи государства. Правительство США в начале 50-х годов заключило с некоторыми фирмами контракты, предоставив им целый ряд льгот, и обязалось скупать продукцию, которая не будет находить сбыта по заранее оговоренным ценам.

В течение десяти лет в развитие титановой промышленности правительство США вложило около 200 миллионов долларов и неменьшую сумму составили вложения частных фирм. Темпы роста производства нового конструкционного материала в эти годы были почти в четыре раза выше, чем темпы роста выпуска алюминия в первые годы возникновения алюминиевой промышленности. Если в 1949—1950 годах производство титана исчислялось десятками тонн, то в дальнейшем оно составляло сотни и тысячи тонн. В 1957 году выпуск этого металла в США превысил 15000 тонн.

Несмотря на стремительный рост производства, в первые годы ощущалась острая нехватка титанового проката. Американское правительство приняло специальное постановление, запрещавшее фирмам-производителям продавать титановый прокат невоенным предприятиям.

Интерес к титану как к перспективному конструкционному материалу появился в конце второй мировой войны в связи с возникновением реактивной авиации и основным потребителем металла в первое время были военно-воздушные силы. На долю военного самолетостроения в 50-е годы приходилось 95 процентов всего применяемого в США металла.

Титановый бум продолжался до 1957 года. Но уже в следующем году количество произведенного металла уменьшилось вчетверо, а еще через год сократилось до 3,5 тысячи тонн. Резкое падение производства титана было вызвано уменьшением выпуска пилотируемых машин и перенесением центра тяжести на изготовление самолетов-снарядов. В связи с этим значительно сократился выпуск тяжелых бомбардировщиков В-52, для производства которых в основном и применяли новый металл.

Титан не находил спроса, а о том, чтобы использовать его в мирных отраслях промышленности, в те времена даже речи не возникало.

Но вскоре после описанных событий в связи с гонкой ракетно-ядерного вооружения, созданием сверхзвуковых самолетов, исследованием космического пространства уровень производства титана в США начал возрастать. Он пережил и переживает 50 еще немало взлетов и падений, ибо полностью зависит от требований военной промышленности США.

Разительный контраст в этом смысле представляет собой развитие советской титановой индустрии. Она не знала спадов, потому что была ориентирована не только на нужды обороны, но и на потребности всего народного хозяйства. Почти одновременно с обеспечением специальных отраслей титан в нашей стране стал поступать на химические и металлургические заводы, в цехи, лаборатории, повышая надежность техники и производительность труда, улучшая условия работы.

И не случайно в мире нет стран, равных СССР по степени использования титана в невоенных областях — как в абсолютных цифрах, так и по масштабам насыщенности титаном той или иной отрасли народного хозяйства. Выдающийся вклад нашей страны в освоение титана как материала мирного отмечали сами американские специалисты.

АЛЮМИНИЙ . . . ТЯЖЕЛЕЕ?

Нет, алюминий не тяжелее титана. Напротив — в полтора раза легче. Но почему же в таком случае титановые детали используют вместо алюминиевых для облегчения самолета? Когда обычную сталь заменяют "легкой сталью", это понятно, и никаких особенных разъяснений не требуется. Но алюминий ... Если уж облегчать конструкцию, то, казалось бы, алюминий следует заменять более легким металлом. Но все объясняется иной причиной — высокой удельной прочностью титановых сплавов.

Каждый узел, каждая деталь самолета должны с гарантией выдерживать определенную нагрузку, быть достаточно прочными для этого. Есть поговорка: "Где тонко, там и рвется", то есть, говоря иначе, заданная прочность обеспечивается определенной массой материала. Титан несколько тяжелее алюминия, но он и гораздо прочнее его, и для тех же деталей самолета титана требуется меньше, чем алюминия, стало быть, конструкция становится легче.

Благодаря использованию титана взамен алюминия массу самолета удается уменьшить на 20—25 процентов. А это чрезвычайно важно. Облегчить самолет — значит повысить его скорость, потолок и радиус действия, увеличить маневренность и грузоподъемность. Поэтому авиация заинтересована в использовании титана при изготовлении реактивных двигателей, кожухов камер сгорания, капотов, роторов турбин, деталей планера, колес — везде, где только возможно, вплоть до таких несложных изделий, как гайки и болты.

Подсчитано, что если при утяжелении конструкции масса самолета повышается всего на одну десятую, то чтобы сохранить неизменными все его прежние летные характеристики, необходимо настолько увеличить мощность двигателя, запас горючего, площадь крыла и т.п., что полетная масса самолета возрастает вдвое.

Каждый сэкономленный килограмм массы двигателя позволяет сберечь за счет облегчения фюзеляжа до десяти килограммов в общей массе самолета. Отсюда становится еще более понятным, как много значит каждый дополнительный килограмм массы, на который удается облегчить самолет благодаря применению титановых сплавов. В результате замены стали и алюминия титаном масса самолета снижается на сотни килограммов, а нередко и тонны. Крыло сверхзвукового военного самолета, целиком изготовленное из стали, имеет массу более двух тонн, титановое же крыло — чуть больше 1800 килограммов. В этом случае экономится 200—250 килограммов массы.

В самолетах применяется большое количество болтов, гаек, винтов, заклепок и других крепежных деталей, которые должны быть очень прочными и надежными. Казалось бы, что эти изделия незначительно утяжеляют конструкцию, так как масса каждого из них исчисляется граммами. Но если учесть, что число крепежных деталей в истребителе достигает 20 тысяч, а в транспортном реактивном самолете — почти 50 тысяч, то суммарная их масса составляет солидную цифру — около 100 килограммов в истребителе и 300 килограммов в транспортном самолете. Замена стали титаном уменьшает массу крепежных деталей на одну треть. Чем крупнее самолет, тем ощутимее замена. В гигантском военно-транспортном самолете США ”Локхид С-5А” благодаря использованию титановых заклепок взамен алюминиевых сэкономлено 3,5 тонны массы.

Большая, чем у алюминия, прочность титана позволила уменьшить диаметр заклепок, в результате чего конструкции самолета в состоянии нести более высокие динамические нагрузки, так как усталостная прочность титана выше, чем алюминия или стали.

Титановые сплавы применяют для изготовления каркаса фюзеляжа, шпангоутов, трубопроводов, элементов жесткости, лонжеронов. Замена титаном алюминиевых сплавов несколько снижает жесткость конструкции, так как применяют листы более тонкие, чем прежде. Чтобы сохранить высокую жесткость, используют "сотовые” титановые панели. Благодаря высокой сопротивляемости окислению и достаточной жаропрочности титан используют вместо стали для изготовления противопожарных перегородок.

В последнее время титан успешно применяют в конструкциях вертолетов. Из титановых сплавов изготовляют двери, пол, лопасти несущих винтов. В частности, обшивка титаном лопастей винтов позволяет снизить массу вертолета на 30 килограммов.

МЕТАЛЛ СВЕРХЗВУКОВЫХ СКОРОСТЕЙ.

Стремительный рост скоростей полета самолетов и значительное повышение в связи с этим аэродинамического нагрева вызвали резкое увеличение применения титановых сплавов для обшивки фюзеляжа.

При скорости, втрое превышающей скорость звука, на высоте более 20 километров, несмотря на пятидесятиградусный мороз за бортом, поверхность самолета на отдельных участках полета нагревается до 500 градусов и выше. Особенно сильно нагреваются передние кромки стабилизаторов и крыльев, носовые конусы, элероны. Летчик, пилотирующий самолет, видит, что отдельные части обшивки в результате трения о воздух накалены докрасна.

Алюминиевые и магниевые сплавы не выдерживают длительного нагрева при температурах 250°С и выше, размягчаются, теряют прочность. Это делает их непригодными для обшивки сверхзвуковых машин. Специальные жаропрочные сплавы титана не утрачивают своих свойств до 550—600 градусов, а при кратковременном нагреве — и до 800°С. При температуре около 300°С титановые сплавы прочнее алюминиевых в 10 раз! Поэтому титановые плиты и листы широко применяют для изготовления обшивки сверхзвуковых самолетов.

Самолеты нагреваются не только вследствие трения о воздух, но и от находящихся на борту реактивных двигателей — сильных источников тепла. Большое количество титана используют в турбореактивных двигателях 'В виде лопаток и дисков воздушных компрессоров, деталей газовых турбин, кожухов двигателей и т.д.

У реактивных двигателей самолетов, летающих со скоростями, вдвое превышающими скорость звука, температура воздуха на входе в компрессор составляет более 200°С, а на выходе — 500. При таких температурах алюминиевые сплавы применять уже нельзя. Можно, правда, использовать стали, но ведь они гораздо тяжелее титановых сплавов, поэтому применяют сплавы нового металла. Титановые сплавы составляют четвертую часть от массы современных зарубежных реактивных двигателей. Двигатель известного американского самолета-разведчика У-2, один из которых, пилотируемый американским разведчиком Пауэрсом, нарушил воздушные границы СССР и был в свое время сбит под Свердловском, содержал в своей конструкции около 1400 килограммов титана.

Применяемые в газовых турбинах титановые детали выдерживают нагрев при температуре 480°С и позволяют снизить массу турбины дозвукового двигателя на 200, а сверхзвукового — на 100 килограммов.

По мере того, как растут скорости полета и размеры самолетов, расширяется и применение титана в конструкциях летательных аппаратов. Если в дозвуковых самолетах количество титана составляет 1—3 процента от общей массы машин, то в самолетах, летающих со скоростью до 2400 километров в час, на титан приходится уже 3—10 процентов, а в самолетах, мчащихся с еще большими скоростями, количество титана в общей массе машины доходит до 90 процентов, то есть самолет практически полностью состоит из титана, за исключением, разумеется, тех деталей, которые вообще не делаются из металлов.

В США разработан и построен самолет-перехватчик ”Локхид.

А-11”. Он достигает высот в 20 километров и более и развивает скорость 3200 километров в час. Это первый американский полностью титановый самолет, в конструкции которого более 30 тонн титана.

Можно назвать десятки серийных военных самолетов, в которых использован титан. Среди них истребители и бомбардировщики, перехватчики, транспортные и военно-морские машины, взлетающие с палуб авианосцев. Титановые сплавы занимают большое' место в конструкции самолета широкого назначения ”Р-4 Фантом” и в экспериментальном, оснащенном ракетным двигателем самолете ”Х-15”, в машине с вертикальными взлетом и посадкой ”ХВ-5А” и в сверхзвуковом бомбардировщике ”ХВ-70А”, в котором число деталей из титана достигает 22 тысяч.

Титан используется не только в американских самолетах. Во Франции новый промышленный материал применяют в самолете ”Мираж-1У”, в реактивном двигателе ”Адур” для самолета ”Ягуар”. Широко применяют его в самолетостроении других стран.

В НЕБЕСАХ . .. НА ЗЕМЛЕ.. . И НА МОРЕ.

Как сообщает американская печать, применение титана в ракетной технике США началось в 1957 году, когда потребовалось снизить массу ракеты ,,Атлас,\ Замена стальных баллонов высокого давления резервуарами из титана позволила облегчить ракету на 68 килограммов.

В последние годы в США почти все резервуары, предназначенные для хранения сжатых и сжиженных газов на ракетах, изготовляли из титановых сплавов. Эти сплавы применяют также для изготовления реактивных сопел, станин двигателя, коммуникаций подачи топлива и окислителя и других важных узлов ракет.

Из титановых сплавов делают корпуса ракет, работающих на твердом топливе, что дает весьма существенные преимущества. Так, например, благодаря применению титана корпус второй ступени межконтинентального баллистического снаряда ”Минитмэн-2” имеет массу всего 160 кг, тогда как точно такой же корпус из стали имел бы массу 290 кг. Стоимость корпуса всего лишь на 20 процентов выше стоимости стального.

Экономия массы ракет улучшает их основные характеристики — скорость и дальность полета, грузоподъемность и т.п. Но уменьшение массы — не единственное преимущество, которое дает титан.

Корпуса ракет, изготовленные из нового промышленного металла, отличаются высокой жесткостью и продольной устойчивостью. Титановый корпус реактивного снаряда легче обрабатывается резанием и не требует в отличие от стали дополнительной термической обработки сварного шва.

Высокая коррозионная стойкость титановых сплавов, их жаропрочность позволяют изготовлять из них форсуночные головки и форсунки ракет. В частности, титановый сплав применен для передней части корпуса ракеты ”Авангард”. В результате трения о воздух эта чать корпуса сильно нагревается, ее температура в некоторые моменты превышает 800°С. Но титановый сплав выдерживает такой нагрев и даже при столь высокой температуре обеспечивает необходимую прочность конструкции.

Сплав системы титан — алюминий — ванадий исследовали и как конструкционный материал ионных ракетных двигателей. Из этого сплава разработана конструкция труб, отходящих от титановых сосудов к двигателю. Такое соединение может выдерживать вибрационные нагрузки, сильные удары, резкие колебания температур за короткий промежуток времени.

Предлагают использовать титановые сплавы в опорной конструкции термоядерного двигателя. Топливные баки из титановых сплавов для хранения жидкого кислорода и водорода не разрушаются при сверхнизких температурах, как это бывает с большинством металлов, напротив — они становятся еще прочнее.

Титан использован в конструкциях таких хорошо известных американский ракет, как ”Аджена*\ ”Тор”, "Титан”, ”Эйблстар”, в управляемом снаряде ”Першинг”, морской ракете ”Поларис”. Новый конструкционный материал используется также в ракетостроении Японии, ФРГ и других зарубежных стран.

Крупными потребителями титана станут со временем артиллерия и бронетанковые войска.

Согласно опубликованной информации, уже довольно продолжительное время в США, например, ведутся исследования опытных образцов армейской боевой техники из сплавов титана. Вполне понятно, что при этом основное внимание направлено на оружие, которое переводят по воздуху или переносят вручную.

Еще в начале 50-х годов сотрудники лаборатории Уотертаунского арсенала предложили изготовить из титана опорную плиту миномета. Замена стали титаном и некоторая конструктивная переделка позволили вместо двух деталей плиты общей массой 22 килограмма изготовить одну деталь массой 11 килограммов, переносить которую в состоянии один человек.Успешно прошли испытания титановые крестовины лафетов, кронштейны зенитных орудий, цилиндры противооткатных приспособлений, орудийные станки и пламегасители. Титановые артиллерийские пламегасители повышают эффективность использования орудий и отлично противостоят развивающимся при стрельбе нагрузкам, а новые крестовины лафетов почти вдвое легче старых стальных.

В 1960 году лаборатория сконструировала безоткатное атомное орудие малой мощности ”Дэви Крокетт” для вооружения пехоты. Применение титановых сплавов позволило сделать это орудие легким и портативным, хорошо противостоящим коррозии.

Самые первые исследования нового промышленного металла показали, что он пригоден и для изготовления брони. Более того, использование титановой брони, снарядостойкость которой такая же, как у стали, дает экономию массы до 25 процентов, а сплавы титана повышенного качества позволяют облегчить броню почти вдвое. Если же при этом массу ее оставить без изменения, то надежность защиты значительно повышается. Опытные работы по изготовлению из титана отдельных деталей среднего танка в США ведут уже давно, однако, по мнению американских специалистов, использование этого металла в серийном танкостроении возможно лишь в будущем.

При современном уровне развития транспортной авиации весьма эффективно использование самолетов для переброски танков и транспортеров, для сбрасывания их с парашютом. Титан позволяет существенно облегчить такой десант, а также стрелковое оружие, радиостанции, комплекты медицинского оборудования и другие виды снаряжения авиадесантных войск.

Широкое использование титановых сплавов для производства средств вооружения сухопутных войск возможно только при некотором снижении стоимости металла. При значительном снижении цен на титан можно ожидать его применения для строительства мостов, посадочных матов аэродромов и прочих сооружений.

Феноменальная коррозионная стойкость титана в морской воде со всеми прочими его достоинствами делает этот металл очень ценным для судостроения.

Малая плотность металла повышает маневренность и дальность действия кораблей, а высокая стойкость против коррозии снижает расходы на ремонт материальной части и уход за нею. Корпуса судов, обшитые листами титана, никогда не потребуют окраски, так как даже намека на ржавчину ожидать не приходится.

Титан, как известно, стоек против эрозии и кавитации. В движущейся морской воде со взвешенными в ней песчинками титан, по меньшей мере, в 12 раз устойчивее, чем самые лучшие распространенные сплавы на основе других металлов. Все это открывает металлу немалые перспективы.

По опубликованным зарубежным данным, в военно-морском флоте США из титановых сплавов изготовляют валы, распорки, опоры, части якоря, фиттинги для крейсеров, выхлопных глушителей подводных лодок, глушители с водяным охлаждением для шлюпочных моторов. Титановые глушители значительно легче и прочнее глушителей из медноникелевых и других сплавов и срок их службы намного выше. Титановые сплавы используют в газотурбинных двигателях некоторых торпедных катеров и кораблей морской пограничной охраны.

Когда диски приборов для измерения уровня масла, газолина, морской воды изготовляют из титана, то срок их службы становится практически неограниченным и намного повышается точность показаний приборов.

Из титана целесообразно делать различные рукоятки и детали морского электронного оборудования, радарные антенны, экраны навигационных приборов, палубную арматуру подводных лодок, детали помп, соприкасающихся с морской водой, и многое другое.

Самому большому коррозионному разрушению на морских судах подвергаются корма, руль и другие части, находящиеся в непосредственной близости от винта, который обычно действует как катод большой площади. Применение титана позволяет в значительной степени снизить интенсивность коррозии.

Немагнитность титана устраняет так называемую девиацию — мешающее воздействие металлических конструкций на навигационные приборы — и тем самым уменьшает опасность подрыва на магнитных минах.

Титановые сплавы весьма перспективные конструкционные материалы для изготовления корпусов подводных лодок сверхглубокого погружения, способных достигать глубин до 6 километров. Далеко не всякий материал способен выдержать чудовищное давление многокилометровых океанских глубин.

Основные конкуренты титана в качестве материалов для подводного кораблестроения — это специальные виды сталей и . . . стекло. Да, и стекло. Особые виды стекла способны выдерживать прямо-таки фантастические нагрузки без всяких следов разрушения. Далеко ходить за примерами не надо: вспомним хотя бы пуленепробиваемые стекла. Подобные материалы несоизмеримо прочнее любых металлов и сплавов, в том числе и титановых. Но назвать стекло конструкционным материалом без существующих оговорок нельзя, так как оно имеет очень важный недостаток. Стекла нельзя соединять и почти невозможно обрабатывать. Они не поддаются ни сварке, ни резке, ни штамповке.

Обработка специальных сталей тоже представляет целую проблему. Пластичность таких сталей очень низка, их высокая твердость достигнута ценой повышения хрупкости. Так что титан во всех отношениях предпочтительнее своих конкурентов.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ. В АВАНГАРДЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА.

Глава 1. ЗА ОБЛАДАНИЕ НЕБОМ.

В ГЛУБИНЫ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА.

Живя на уютной Земле, мы редко задумываемся над тем, какое место занимает наша планета во всей вселенной и что представляет собой солнечная система. Но уже начавшаяся космическая эра настоятельно побуждает нас, в том числе и тех, кто непосредственно не связан с космонавтикой, обращать свои мысленные взоры за пределы Земли. И что же мы видим?

Сразу же за тонкой земной атмосферой начинается бездна космоса. Планеты, их спутники и даже звезды — совсем крохотные образования вещества по сравнению с этой бездной почти абсолютной пустоты.

Представим себе солнечную систему, уменьшенную в 2 миллиарда раз. Диаметр ее составит всего четыре с половиной километра. Огромное Солнце станет небольшим шаром диаметром 70 сантиметров, а планеты будут еще меньше. Меркурий и Марс превратятся в зернышки, Земля и Венера — горошины. Уран и Нептун покажутся грецкими орехами, а гигантские Сатурн и Юпитер — яблоками средней величины. Отделять эти зернышки и горошины друг от друга будут многие десятки и сотни метров пространства. Расстояние же между Ураном и Нептуном, самыми удаленными от Солнца планетами, которые на нашей уменьшенной модели выглядят грецкими орехами, достигнет почти километра.

Таким образом, на пространстве в 16 квадратных километров будут размещены несколько зернышек, горошин, орехов и яблок, а также золотистый шар, достигающий размеров мяча, которым играют в мотобол. Вот и все, что приходится на долю вещества, остальное занимает космическое пространство.

Картина солнечной системы, образно нарисованная Константином Эдуардовичем Циолковским, помогает отчетливо представить громаду космоса и наше очень скромное место в нем. Но, несмотря на столь, казалось бы, незаметное положение, люди уже начали великий штурм мироздания, посылая плоды своего разума и творения своих руд как к ближайшим, так и отдаленным космическим объектам. Аппараты, созданные на Земле, достигают не только Луны. Но и Венеры, Марса, Юпитера.

Если до Луны корабль летит всего трое суток, то время достижения Венеры и Марса измеряется уже многими месяцами, а полет к Сатурну и Юпитеру занимает годы. Между тем космическое пространство — не слишком уютно для путешествий. Там царит ледяной холод, но сторона корабля, повернутая к Солнцу, сильно нагревается. Такие температурные контрасты действуют самым отрицательным образом на материалы, из которых изготовлен космический аппарат.

Не идут на пользу кораблю и частицы космической пыли, щедро рассыпанной по всему пространству вселенной, через которую летательному аппарату нередко приходится ”проди- раться”. Вредна и космическая радиация. Казалось бы, чем может вредить пустота — космический вакуум, огромнейшее безвоздушное пространство? А между тем, вакуум далеко не безобиден.

Эксперименты, проведенные учеными, помещавшими самые различные металлы в специальную вакуумную камеру, позволили обнаружить любопытные факты. В камере искусственно создавали разрежение, соответствующее тому, которое царит на расстоянии 800 километров от поверхности Земли. И оказалось, что глубокий вакуум действует на металлы очень своеобразно: кадмий, цинк, магниевые сплавы . .. закипают и испаряются, многие другие металлы, хотя и в меньшей степени, но тоже начинают терять свои собственные атомы. Самыми устойчивыми в вакууме оказались сталь и титан, а также вольфрам и платина. Менее устойчив, но еще достаточно надежен алюминий. Остальные металлы мало пригодны для эксплуатации в открытом космосе.

Эти эксперименты были проведены сравнительно недавно — уже после того, как титан стали применять в космической технике. Тогда, разумеется, не знали, что новый металл очень устойчив в вакууме, но и без того у титана имелось немало достоинств, которые и определили быстрый рост его применения в космической технике.

С каждым запуском кораблей серии "Аполлон” в межпланетное пространство стартовали более 60 тонн титановых сплавов. Узлы и детали из сплавов титана использовались не только в самом корабле "Аполлон”, но и в лунном модуле, и в трехступенчатой ракете-носителе ”Сатурн-5”, которая выводила космических путешественников на траекторию полета к Луне.

На космическом корабле ”Аполлон” насчитывается около сорока титановых емкостей, предназначенных для хранения химически активных веществ, входящих в состав горючего. В частности, в титановых баках хранятся монометилгидразин, используемый как топливо, тетраксидазот, применяемый в качестве окислителя, и жидкие газы — кислород, водород, азот и гелий. Воздух, который служит для вентиляции кабины в космических полетах, содержится в титановых цилиндрах под давлением, превышающим 200 атмосфер.

В лунном модуле, опускавшемся на пыльную поверхность нашего естественного спутника, из нового конструкционного материала изготовлена камера сгорания жидкостного ракетного двигателя. В гигантской ракете ”Сатурн-5” сосуды высокого давления и лопасти стабилизаторов тоже из титана.

Корпус ракеты ’Титан-П”, которая выводила на околоземную орбиту космический корабль ”Джеминай”, высотой 27 метров и диаметром 3 метра был изготовлен из титана с использованием некоторого количества сплавов на основе алюминия и магния. Кабины космических кораблей ”Джеминай” и ”Мер- курий” почти полностью были сделаны из титана.

Титановые сплавы были успешно использованы для корпусов двигателей американских космических кораблей "Пионер^”, ”Юнона-2”, ”Юпитер-С”. Новый промышленный металл применяется и в установках для запуска ракет.

Титан — металл, который в немалой степени обеспечил и обеспечивает многие отечественные достижения в освоении космического пространства.

Сегодня космические перевозки уже не фантастика, а реальность. Но стоят они фантастически дорого: перевезти один килограмм вещества с Луны на Землю обходится более 1000 дол ларов. Отсюда понятно, насколько важно поставлять для орбитальных и лунных станций, монтируемых непосредственно в космосе, конструкционный материал, который был бы высокопрочным и вместе с тем не слишком плотным. Таким материалом как раз и является титан. Металл не только сохранит в космосе все свои достоинства, но и лишится некоторых присущих ему недостатков.

Например, в межпланетном пространстве значительно упростится сварка титана: не надо будет защищать металл от взаимодействия с воздухом, так как такового в космосе попросту нет. Сваривается же титан отлично. При испытаниях сваренного образца на прочность гораздо чаще случается так, что разрывается основной металл, а не сварной шов.

Но возможна ли сама по себе сварка в условиях невесомости? Предстояло проверить это на практике. Оказалось, что в космосе металлы свариваются так же надежно, как и на Земле. Успешные эксперименты по автоматической сварке и резк.

Етитана в межпланетном пространстве провели в октябре 1969 года советские космонавты Г.С.Шонин и В.Н.Кубасов во время группового полета трех космических кораблей "Союз”.

Самая первая экспедиция на Луну доставила с нашего естественного спутника образцы пород с очень большим содержанием титана. Впоследствии оказалось, что ”Аполлон-11” совершил посадку в районе титанового месторождения. Образцы лунного грунта, доставленные советскими автоматическими станциями и другими американскими кораблями, были взяты в иных местах нашего естественного спутника и содержали уже гораздо меньше титана. Но даже и это”низкое” содержание значительно превосходит процент содержания элемента в земной коре. Итак, Луна богата титаном. Запомним это. И обратим внимание на то, что уже не первый год (и не только в научно-фантастической литературе, но и в самой что ни на есть серьезной печати) появляются материалы, рассказывающие о перспективах космической металлургии, о неизбежном ее возникновении и ее преимуществах.

Предполагают, что энергию для металлургических предприятий будущего дадут солнечные нагреватели. Сфокусированные солнечные лучи будут плавить любые соединения и самые тугоплавкие металлы. Космический вакуум намного упростит технологию получения целого ряда металлов, в том числе и титана.

Теперь давайте немного помечтаем. Перенесемся в XXII . . . нет, вероятно, ближе — в XXI век. Луна уже обитаема. Здесь живут и работают люди, исследуют космическое пространство и недра нашего спутника, ведут самые разнообразные работы. Вряд ли сюда будут возить с Земли основные материалы для строительства — намного дешевле и целесообразней добывать их прямо на месте.

.В отношении металлов очень сомнительно, что для создания объектов, находящихся в безвоздушном пространстве, будут использовать платину или вольфрам. Значит, остаются только сталь, титан и алюминий. Но сталь плохо переносит космический холод, алюминий же не настолько прочен, чтобы конкурировать с титаном. К тому же, будет ли он найден на Луне? Неизвестно. А титан обнаруживают на каждом "обжитом” участке лунной поверхности. Так что, по всей вероятности, именно титан будет основным конструкционным материалом для сооружений, изготовляемых и монтируемых непосредственно в космосе. Титановые заводы, работающие в идеальном вакууме, будут производить гораздо более дешевый металл, чем если бы они работали на Земле. Титану найдется очень много дел в межпланетном пространстве, и сейчас даже трудно представить себе будущее этого металла во всей полноте. Можно только с уверенностью сказать, что будущее это — большое и прекрасное. Титан хорошо послужит людям в завоевании космоса.

РОЖДЕННЫЙ ЛЕТАТЬ.

Появление сверхзвуковой пассажирской авиации знаменует новую ступень прогресса, так как в любой достаточно крупный отдаленный город мира можно будет долететь максимум за 12 часов. Огромные планетарные расстояния сделаются намного короче, что будет способствовать сближению наций и государств.

31 декабря 1968 года яркой страницей вошло в историю авиации. В этот день в воздух поднялся первый в мире сверхзвуковой пассажирский самолет. Им был советский лайнер Ту-144. С тех пор советский сверхзвуковой самолет посетил с демонстрационными полетами многие города, был представлен на разных авиационных выставках, стал совершать регулярные авиарейсы.

Ту-144 перевозит 140 пассажиров со скоростью 2100 километров в час. Если скорость самолета превышает скорость звука не более чем в 2 раза, то конструкторы еще применяют для обшивки машины алюминиевые сплавы. Ту-144 — не исключение. Он тоже в целом алюминиевый самолет, но наиболее нагревающиеся части — мотогондолы двигателей, элероны, рули поворота и другие — изготовлены из титана. Титана в этом алюминиевом самолете не так уж и мало: только литых деталей — несколько тысяч.

В начале 1969 года взлетел сверхзвуковой пассажирский самолет англо-французского производства "Конкорд”. Он принадлежит к тому же типу, что и Ту-144, и даже внешне напоминает его. "Конкорд" тоже почти целиком сделан из алюминия, но и при его изготовлении не обошлись без титана: известная английская фирма "Роллс-ройс" использовала новый промышленный металл в конструкции двигателя этого сверхзвукового лайнера.

Американская реклама на все лады расхваливает самолет "Боинг-747". Это аэробус, то есть самолет, вмещающий большое количество пассажиров, своеобразный воздушный автобус. Аэробусы — дозвуковые самолеты третьего поколения — используются на магистралях с огромным потоком пассажиров и помогают авиаторам решать целый ряд проблем.

"Боинг-747" — четырехмоторный транспортный самолет, двухэтажный внутри, имеет четыре пассажирских салона, несколько кухонь, бар. Посадка в самолет и выход из него осуществляются через десять дверей по десяти трапам. Размах крыльев этого корабля, который, наверное, уже нельзя называть птицей — так он похож и по величине, и по уровню комфорта на океанский лайнер, — достигает 60 метров. Скорость самолета — 1000 километров в час. Стоимость одной такой машины — 20 миллионов долларов, а постройка прототипа обошлась в грандиозную сумму — в 750 миллионов долларов. И если бы создание опытного образца закончилось неудачей, то это была бы самая дорогая неудача в истории самолетостроения.

Генеральный авиаконструктор С.В.Ильюшин считает, что с повсеместным вводом в эксплуатацию аэробусов и сверхзвуковых пассажирских самолетов в развитии авиации произойдет коренной перелом. Воздушный флот займет первое место среди всех видов транспорта по объему перевозок пассажиров.

В нашей стране создан гигантский аэробус Ил-86, вмещающий 350 пассажиров.

Но какое отношение имеют размеры, уровень комфорта сверхмощного реактивного великана к теме книги о металле с величественным именем? Самое непосредственное.

На создание каждого такого великана затрачиваются десятки тонн различных титановых сплавов. Около 20 тонн нового конструкционного материала используется только в остове самолета и его турбореактивных двигателях. Каждый аэробус содержит в себе также два с половиной миллиона титановых заклепок, болтов и гаек, что облегчает его на несколько тонн. Именно титан дал аэробусу возможность летать.

В США разрабатывается проект сверхзвукового пассажирского самолета. Однако самые большие оптимисты считают, что американский лайнер ”Боинг-2707” появится в воздухе только лет через восемь после того, как начали совершать регулярные рейсы Ту-144 и "Конкорд”.

Программа создания такого самолета оценивается в 5,5 миллиарда долларов. Американские конструкторы и промышленники утверждают, что ”Боинг-2707”, обладая более высокими техническими характеристиками, будет сверхзвуковым лайнером второго поколения. Предполагают, что он будет брать на борт 300 пассажиров и мчаться со скоростью, в два с половиной раза превышающей скорость звука. ”Боинг-2707” почти целиком должен быть изготовлен из титановых сплавов.

По мнению ведущих авиаконструкторов мира, титан имеет наибольшие перспективы широкого использования в конструкциях как сверхзвуковых, так и дозвуковых самолетов, потому что главным условием обеспечения высокой эффективности летательного аппарата является снижение его массы. С этой задачей титан справляется лучше всех остальных металлов. Необходимо также учесть, что титан — материал еще очень ”молодой”, его сплавы находятся на гораздо более ранней стадии развития, чем алюминиевые, и имеют еще много нераскрытых потенциальных возможностей.

Титан позволяет намного уменьшить массу элементов конструкций, работающих на растяжение и подвергающихся сильному сжатию. Металл широко используют в конструкции крыла, фюзеляжа и даже шасси. В американском самолете ”ДС-7” из титана изготовлено носовое колесо диаметром около метра. Во время испытаний титановое колесо спокойно выдержало 6000 приземлений 100-тонного самолета и без всякого для себя ущерба прокатилось по взлетно-посадочной полосе свыше 2700 километров!

Дополнительного снижения массы достигают благодаря способности титана превосходно свариваться. В связи с этим во многих случаях исключают более металлоемкие методы соединения.

7 августа 1970 года газета ”Правда” опубликовала очерк ”Сердце из титана”. Очерк совершенно не затрагивал медицинских проблем, хотя, если судить только по названию, могло показаться, что речь должна была идти об использовании титана для искусственного сердца. Титан действительно применяют в аппаратах искусственного кровообращения, но в этом очерке слово ”сердце” имело метафорический смысл. Опубликованный материал рассказывал о людях, создавших турбореактивные.

Двигатели НК-8 и НК-8-4 для пассажирского самолета Ил-62. Среди них были не только конструкторы и инженеры, но и технологи, разработавшие и внедрившие комплекс производственно-технических процессов, которые и обеспечили максимальное применение титановых сплавов в турбореактивных двигателях.

"Можно часами рассказывать о том, как на двигателе Ил-62 впервые в мировой практике широко применили легкие и прочные титановые сплавы. Когда-нибудь об этих "муках" с титаном напишут подробно (совсем неспроста автор очерка обращает наше внимание на трудности работы с "парадоксальным металлом": они действительно нередко кажутся непреодолимыми) . Советские конструкторы и те, кто им помогал, преодолели трудности первыми. Их упорство вознаграждено: по росту ресурса двигатель Ил-62 становится рекордсменом.

. . . Могучее двухконтурное турбореактивное сердце из титана ровно бьется над океанами, легко дышит в тропиках, у экватора, над Гималаями. И работает так, что о нем и о тех, кто его создал, подчас забывают. А они рады. Ведь если сердце отличное, человек не замечает его. Когда пассажиры не вспоминают об авиационном двигателе, — это, пожалуй, лучшая ему оценка".

Так заканчивался очерк в "Правде”. И, полностью соглашаясь с автором в оценке двигателя, нельзя не дать высокую оценку и металлу, из которого изготовлено сердце авиалайнера и без которого этот двигатель было бы невозможно создать, как, впрочем, двигатели ”Антея”, ”Руслана”, ”ИЛа-86” и других самолетов-богатырей.

Глава 2. С НЕБА - НА ЗЕМЛЮ.

МАТЕРИАЛ ДЛЯ МОРСКИХ И ЗЕМНЫХ ГЛУБИН.

Корреспондент агентства печати ”Новости” сообщил из Нью- Йорка: ”В США создан батискаф ”Алвин”, который позволит экипажу из трех человек опуститься на самые большие глубины Атлантики. ”Алвин” примет участие в совместном американофранцузском глубоководном эксперименте, цель которого — исследование расположенной в 200 милях к югу от Азорских островов подводной долины, где имеются действующие вулканы, гейзеры и часто происходят землетрясения. Французская сторона в эксперименте использует батискаф ”Архимед” и подводный аппарат СП-3000. . ."Батискаф "Алвин” или ”Эл- вин”, как его еще величают, очень хорошо зарекомендовал себя при поиске и исследовании затонувшего знаменитого пассажирского корабля ”Титаник”. Оболочка этого батискафа — титановая.

Спору нет — титан действительно самый перспективный металл для корпусов батисфер, батискафов и других глубоководных аппаратов. Именно в условиях, когда на металл действуют чудовищное давление и вызывающая коррозию средами раскрываются все его лучшие свойства: высочайшая удельная прочность, стойкость против коррозии под действием механических нагрузок. Способность титана ”играючи” переносить сколь угодно длительное воздействие морской воды открывает ему дорогу как материалу для подводных обитаемых научных станций.

Фирма "Дженерал электрик" разрабатывает проект таких экспериментальных жилищ. Предполагается, что они будут размещаться либо на океанском дне, либо вблизи грунта на глубинах до 3700 метров. Основными материалами исследовательских обитаемых станций должны быть пирокерамика, упрочняемые стеклопластики и, конечно же, титановые сплавы, которые уже сейчас нередко используются в качестве высокопрочных тросов для погружения и подъема глубоководных аппаратов.

Титан может сослужить очень хорошую службу и тем исследователям, которые занимаются геофизическими замерами и наблюдениями, плавая на специальных немагнитных судах. На таких кораблях совершенно не должно быть железных, никелевых изделий, деталей из нержавеющих сталей. Вместе с тем, другие материалы, отличающиеся немагнитностью, не могут быть полностью заменены сталями и сплавами на никелевой основе, так как уступают им и по. прочности,и по стойкости против коррозии. Титан же и немагнитен, и в состоянии не просто заменить магнитные материалы, но и обеспечить целый ряд дополнительных преимуществ.

Люди уже спускались в самую глубокую впадину мирового океана, ступали по Луне. Аппараты, созданные человеком, устремляются к самым отдаленным планетам солнечной системы. И все же есть сфера, где наши достижения очень скромны, сфера, куда мы почти совершенно не проникали. Мы знаем, что такое океан, знаем, что такое космическое пространство, но еще мало изучены недра нашей планеты. И не только те, глубинные недра, которые удалены от нас на тысячи километров и образуют загадочное ядро, но даже земную мантию, находящуюся , казалось бы, совсем рядом, в 15—20 километрах от поверхности. Однако как труднодоступна земная глубь! Самая глубокая в мире шахта, находящаяся на африканском континенте, из которой извлекают золото, не достигает и трети расстояния до верхней мантии, да и бурить на такие глубины — целая проблема. Казалось бы, пустяк, какие-то полтора десятка километров . . . Что стоит воздвигнуть мощную буровую вышку и бурить, пока не достигнешь нужной глубины. Но что значит бурить? Это значит высверлить долотом отверстие, все глубже погружая в землю бурильную колонну, свинчиваемую по мере удлинения из новых и новых труб. Можете себе представить, какую массу будет иметь многокилометровая колонна. А ведь держится она только за счет прочности стенок труб, находящихся у земной поверхности, над устьем скважины.

Колонна висит и если ее бесконечно удлинять, то наступит момент, когда она оборвется под собственной тяжестью. И произойдет это значительно раньше, чем будет достигнута верхняя мантия. Вот что препятствует нам поглубже заглянуть в земную твердь. Вы скажете, что можно ведь сделать трубы с гораздо более толстыми стенками, более пробные. Да, можно, но это значительно увеличит их массу, так что таким способом проблему все равно решить нельзя. И все же в различных местах планеты уже приступили к сверхглубокому бурению. В СССР научно-экспериментальные скважины пробуривают на суше, американские исследователи предпочитают достичь земной мантии через дно океана, поскольку земная кора под океаном несколько тоньше. Проект "Верхняя мантия Земли” уже воплощается в жизнь.

Трудно переоценить научное значение сверхглубокого бурения, но оно будет иметь также и немаловажный практический результат. С помощью таких скважин удастся обнаружить немало полезных ископаемых, залегающих как глубоко в земной коре, так и в самой верхней мантии.

Как же удалось решить проблему прочности труб? Разумеется, без высокопрочных сплавов на основе титана здесь не обошлось. Благодаря им могут быть достигнуты глубины не только в 15—20, но и в 30 километров.

УТОЛЯЯ ЖАЖДУ ПЛАНЕТЫ.

Важнейшее условие жизни на Земле — вода, и вряд ли кто- нибудь будет спорить с этим положением. Но воды на Земле мало . . . Вот это утверждение многие уже будут оспаривать. ”Как — мало?” — вполне резонно могут спросить. — Разве моря и океаны не покрывают большую часть поверхности нашей планеты?” Покрывают. Но именно моря и океаны, в которых вода, как известно, соленая. Основой жизни же является вода пресная.

Без пищи человек в состоянии прожить больше месяца, а без воды — погибает уже через несколько суток. От двух с половиной до четырех литров — такова ежедневная физиологическая норма воды для каждого человека. Но физиологическая норма — это только та жидкость, которую человек должен принимать внутрь. Цивилизованный человек на свои нужды тратит гораздо больше воды — от 30 до 230 литров в сутки, а цивилизованное общество — целые реки и моря.

Промышленность поглощает невообразимо огромное количество пресной воды. Для изготовления бутылки лимонада, например, расходуется 5 литров, а для производства тонны газетной бумаги — 50 тонн воды, но есть и такие производственные процессы, при которых потребность в воде превышает по массе выход готовой продукции в сотни и даже в тысячи раз. Например, на выпуск одной тонны каустической соды требуется 250—300 тонн воды, на отбелку тонны хлопка — 280 тонн, на получение тонны искусственного шелка — более 750 тонн, одной тонны никеля — 800—850 тонн, а на выработку одной тонны аммиака расходуется до 1000 тонн воды!

Пресная вода необходима в овощеводстве для полива и подкормки растений в парниках и теплицах, вода нужна для полива газонов, цветников и городских парков. При уходе за крупным рогатым скотом на каждую голову расходуют 100— 125 литров воды в сутки. Все больше распространяется орошаемое земледелие.

Но вода нужна не только всему живому. Каждому трактору необходимо в сутки 150 литров воды, автомобилю — 50—100 литров. В конечном счете, все расходы воды так или иначе связаны с удовлетворением потребностей человека, а поэтому можно сказать, что каждому из нас ежегодно требуется 900 тонн воды.

Где же взять такое огромное количество пресной воды для миллиардов живущих на Земле людей, если учесть к тому же, что численность населения планеты быстро увеличивается, а количество пригодной для использования воды даже уменьшается, так как водоемы все больше загрязняются промышленными отходами? Ответ может быть только один: перерабатывать морскую воду в пригодную для питья и хозяйственнотехнических нужд.

Каждые 97 из 100 литров имеющейся на Земле влаги содержат 3,5 процента солей, которые и делают воду непригодной для использования в промышленности и в быту. Обессолить воду можно различными способами — вымораживанием, выпариванием, перегонкой и некоторыми другими. Но в любом случае дело придется иметь с морской водой, коррозионная активность которой хорошо известна. Именно поэтому в качестве конструкционных материалов опреснительных установок никогда не фигурируют обычные стали, а упоминаются сплавы алюминия, различные бронзы, медноникелевые сплавы и, разумеется, титан. Было бы удивительно, если бы его не упоминали вообще. Правда, титан как не очень дешевый металл не используется для изготовления всего опреснителя, а применяется только в местах, где без него совершенно нельзя обойтись.

Полтораста километров бесшовных титановых труб, множество трубчатых решеток и деталей испарителя использовано в опреснительной установке, находящейся на самом большом из американских Виргинских островов — Санта-Крус. Многоступенчатая установка, работающая по методу однократного испарения, была построена компанией "Вестингауз” для снабжения водой алюминиевого завода фирмы "Харвей алюминиум”.

Поначалу предполагалось, что основным материалом опреснителя будут медноникелевые сплавы, и установка была спроектирована из расчета, что рабочая температура рапы не превысит 85 °С. Применение титана в испарителе позволило повысить температуру рапы до 121 °С и удвоить производительность агрегата. Это оказалось возможным благодаря еще и тому, что титан обеспечивает более высокую теплопередачу, чем более теплопроводные, но покрытые накипью материалы.

Спустя два года с момента начала эксплуатации проверили состояние титановых труб. Несмотря на то что через установку за это время протекало 18 миллиардов кубических метров морской воды вместе со скорлупой моллюсков, а температура рассола в испарителе превышала 100 °С, вся система труб пребывала в идеальном состоянии. Трубы из других стойких материалов в таких условиях не выдержали бы и года работы. Предполагают, что титановые трубы будут эксплуатироваться без замены десятки лет, обеспечивая на протяжении всего срока службы бесперебойную работу опреснительной установки.

Сейчас за земном шаре работает уже несколько сот опреснительных установок различной производительности и различного принципа действия. Ежесуточно они вырабатывают несколько сот тысяч кубометров пресной воды. Этого едва хватит развитому промышленному городу средней величины. Опреснительные установки действуют в СССР, США, Кувейте, Израиле и в других странах.

Увеличение спроса на такие установки потребует огромного количества титана. Только в одной опреснительной установке, смонтированной в Эль-Джебеле (Саудовская Аравия), использовано 2800 тонн этого металла.

По запасам пресной воды наша страна занимает первое место в мире, но запасы эти распределены очень неравномерно и в таких районах, как Средняя Азия, Казахстан, южная часть Украины, отсутствие достаточного количества пресной воды сдерживает развитие промышленности и сельского хозяйства. Кроме того, у нас много пустынь и полупустынь. Вот почему проблеме опреснения воды в нашей стране придается большое значение.

На берегу Каспийского моря, где постоянно бушуют песчаные бури, где нещадно палит солнце, а земля покрыта солью высохших соленых озер, где даже верблюды чувствуют себя неуютно, в течение нескольких лет вырос город Шевченко, названный в честь великого украинского поэта. В городе живут десятки тысяч людей — нефтяники, геологи, строители. В городе много зелени, растут деревья и кустарники, цветут цветы.

На сотни километров вокруг нет воды, месяцами не бывает дождей, но город живет, расходует пресную воду на все свои нужды, в том числе и на полив зеленых насаждений. Откуда же берут воду? Из моря. Но, разумеется, предварительно удалив из морской воды соль. Шевченко — единственный город в мире, который использует опресненную воду. Пресная вода, получаемая искусственно, поступает не только для технических и хозяйственных нужд города, но и в квартиры его жителей, ее пьют все. Другой воды здесь нет. Опреснитель расположен недалеко от города, прямо на морском берегу. Его корпуса видны издалека, ночью они освещаются специальными лампами.

Титан еще не раскрыл всех своих возможностей относительно процессов и аппаратов по обессоливанию, но его не сбрасывают со счетов, когда проектируют передвижные опреснители, емкости для хранения и перевозки пресной воды.

Водный голод еще не стоит перед человечеством вплотную, но его приближение ощущается все явственнее. Недостаток воды испытывают сейчас не только в районах Африки, Ближнего и Среднего Востока, Южной и Северной Америки, которые всегда страдали от этого, но и во многих других местах.

Чистая питьевая вода становится дефицитом и в Европе. Рационирование питьевой воды вводится в Бельгии, ФРГ, Японии. Нехватка воды уже становится государственной проблемой Англии. Скоро с этой проблемой столкнуться все без исключения государства.

Но человечество не погибнет от жажды. На помощь придут гигантские опреснители, работающие на атомной энергии, использующие новейшие достижения инженерной мысли и новые надежные материалы, среди которых будет и титан.

ЕДИНСТВЕННЫЙ, НЕЗАМЕНИМЫЙ. ..

Что говорить, титан — металл замечательный! Но у него достаточно конкурентов, которые, хотя и не безукоризненно, но все же справляются с возложенными на них обязанностями. Нержавеющая сталь менее стойка? Что ж, не беда! Пусть она служит не двадцать лет, а год или два, но ведь и год, и два она будет успешно использоваться. Зато она дешевле. Пусть чугун тяжелее, пусть алюминий намного уступает титану по прочности, но ведь и из них делали и делают вполне пригодные для использования вещи.

Титан, таким образом, в большинстве случаев является одним из металлов, пригодных для изготовления изделий, но не единственным. А это значит, что ему не всегда будет отдано предпочтение.

Но есть такие области техники, где только титан позволяет добиваться дальнейшего прогресса, где отказаться от титана означает отказаться от самой возможности создания тех или иных агрегатов, машин, установок.

Не секрет, что конструкторские разработки в некоторых случаях вынужденно приостанавливаются, так как еще не найдены, не созданы материалы, которые обеспечивали бы конструкции нужные свойства и параметры. К числу таких разработок некоторое время относилось и создание мощных паровых турбин.

Казалось бы, мощность турбины можно увеличить беспредельно: сделай турбину покрупнее —вот и повысится мощность. Но чем больше вращающиеся детали, тем с большей скоростью движется огромная масса металла и тем сильнее центробежные силы растягивают ее и в конце концов разрушают. Рабочие лопатки паровых турбин длиной около метра и более сделать из нержавеющей стали вообще невозможно, так как запаса прочности стали недостаточно, чтобы выдержать те огромные напряжения, которые развиваются во вращающейся с бешеной скоростью конструкции. Кстати, скорость, с которой движутся концы лопаток, приближается к скорости звука!

Вот здесь-то и оказывается незаменимым промышленный металл с самой высокой удельной прочностью! Преимущества титана особенно важны во вращающихся деталях, и поэтому в авиастроении титан применяется сравнительно давно. Ротор компрессора реактивного двигателя, изготовленный из особопрочной специальной стали, не выдерживает скорости вращения в 17 тысяч оборотов в минуту, а точно такой же титановый ротор разрушается только при 25 тысячах оборотов.

Благодаря титану, по-видимому, удастся создать паровые турбины мощностью в 1500 и даже более мегаватт. Одна такая турбина заменит несколько Днепрогэсов.

Базовой моделью отечественной теплоэнергетики сейчас служит турбина мощностью 300 тысяч киловатт. В Донбассе уже работает агрегат в 800 тысяч киловатт. В ближайшие годы такие турбины придут на смену ”300-тысячнику”. А в Ленинграде, на знаменитой выборгской стороне, создан гигант, равного которому не знает мировая практика энергомашиностроения: паровая турбина мощностью 1 миллион 200 тысяч киловатт. В часы "пик" она развивает колоссальную мощность — в 1 миллион 400 тысяч киловатт. Уникальная турбина изготовлена в объединении "Ленинградский металлический завод". При ее производстве использованы новейшие титановые сплавы высокой прочности. Турбина уже работает: в январе 1981 года на Костромской ГРЭС досрочно введен в действие крупнейший в мире среди тепловых электростанций энергетический блок с одновальным турбоагрегатом. На этом уникальном агрегате опробованы новые конструкторские, технологические и эксплуатационные разработки. Он станет основой для выпуска еще более мощной турбины, которая и будет служить базовой моделью на ближайшие десятилетия. Начинается новый этап в мировом энергомашиностроении, который без титана не был бы возможен вообще.

Титан незаменим при изготовлении парогенераторов не только благодаря своей высокой удельной прочности, но и вследствие присущей ему стойкости против коррозии. В цилиндры низкого давления турбинных агрегатов постоянно нагнетается пар, который и приводит лопатки в стремительное движение. Эта горячая влага вызывает коррозионное и эрозионное разрушение подавляющего большинства металлов и сплавов. Титан же по стойкости против воздействия влажного пара превосходит все нержавеющие стали.

Прежде чем приняли решение о проектировании и изготовлении сверхмощной турбины, были испытаны лопатки из титановых сплавов в агрегатах мощностью 300 тысяч киловатт. Паровые турбины с титановыми лопатками успешно используются на Лукомской и Конаковской ГРЭС, лопатки не подвергаются коррозии и эрозии. По расчетам Центрального котлотурбинного института имени Ползунова, применение титановых сплавов в таких агрегатах увеличивает коэффициент их полезного действия и дает экономию по каждой турбине 150 тысяч рублей в год.

Наряду с титановыми лопатками в паровых турбинах успешно используют титановую проволоку. На последней ступени ротора турбины К-300-240, работающей на Приднепровской ГРЭС, эксплуатируют титановые бандажи, что повышает вибрационную стойкость вращающейся детали.

В энергомашиностроении по достоинству оценены и высокая стабильность свойств нового промышленного металла при воздействии рабочих напряжений, и высокая его усталостная прочность. Ведь турбина должна служить без замены 10 лет и более, и все эти годы ротор и лопатки будут стремительно вращаться,

В дальнейшем титановые сплавы могут найти применение для изготовления конденсаторов паровых турбин, что позволит уменьшить габариты и увеличить срок эксплуатации без капитальных ремонтов до 20 лет. Благодаря способности титана сохранять свои свойства в напряженном состоянии его применяют при изготовлении компрессоров. Изготовление рабочих колес аммиачных турбокомпрессоров из сплавов на основе титана позволило в два раза уменьшить число ступеней сжатия и перейти на одноагрегатную конструкцию, что значительно снизило количество требующегося на изготовление машин металла, вдвое уменьшило площадь зданий холодильных станций.

Несколькими страницами ранее рассказывалось о том, что титан начинают использовать в качестве материала для особопрочных и легких труб, предназначенных для бурения сверхглубоких скважин. Прогрессу в деле бурения способствовала все та же незаменимость, уникальность свойств нового промышленного металла.

Незаменимой в некоторых случаях является и стойкость титана против коррозии. Благодаря титану удалось наладить промышленное производство хлористого аммония по методу выпаривания. Метод был известен сравнительно давно, но не применялся, так как не существовало стойкого конструкционного материала для создания нужного оборудования.

Титановое оборудование обеспечило появление новой прогрессивной технологии — автоклавного разложения никелевых концентратов и экстракционной очистки растворов в производстве кобальта. Появилась возможность использовать более высокие давления и температуры, применять для извлечения металлов более агрессивные вещества, что увеличивает производительность труда и позволяет создать непрерывную технологию. С внедрением титановых вентилей, кранов, задвижек в никелевом производстве было ликвидировано загрязнение промежуточных продуктов посторонними примесями, что в значительной мере способствовало освоению выпуска никеля высокой степени чистоты.

МОРОЗ НИПОЧЕМ.

Когда хотят подчеркнуть незаурядную силу, крепость или мощь, то прибегают к сравнению с железом, сталью. "Крепкий, как сталь”, "железная воля" — часто говорим мы, справедливо делая такие образные сопоставления — ведь прочность железа достаточно хорошо известна еще с древнейших времен.

Но беда в том, что железо не выдерживает сильных морозов, и уже при температуре 40 °С ниже нуля становится хрупким. А ведь на земном шаре встречаются и такие места, где температура достигает 70 °С холода, и это не только антарктический континент, но и вполне обитаемые земли — Якутия, Заполярье. Славится своими морозами и вся Сибирь. В Якутии, например, довольно часты морозы, превышающие 60 °С. При таких температурах резко возрастает число поломок транспорта, машин и механизмов, особенно землеройных.

Промерзший грунт с трудом поддается механическому воздействию и может легко вывести из строя машину, работающую даже при обычной температуре воздуха. Насколько же увеличивается число неисправностей, когда материал, из которого сделана машина, становится сам по себе хрупким, непрочным!

В условиях Крайнего Севера число повреждений техники в зимнее время по сравнению с летним увеличивается в три, а нередко и в десять раз. А ведь сейчас стоит задача все интенсивнее осваивать богатства Севера и Сибири. Значит, нужна особая техника, техника в "северном" исполнении — надежная и долговечная.

Металлурги разрабатывают специальные марки стали, экспериментируют, стараются "вылечить" железо от столь досадной хрупкости при низких температурах. Было замечено, что добавка циркония в значительной степени снижает хрупкость железа. Получена особая сталь для Севера, которая намноголучше обычной. Но все же и она не лишена тех недостатков, от которых свободна "легкая сталь" — титан.

То, что так разрушает железо, — холод — титану нипочем. Большинство серийных титановых сплавов совершенно спокойно переносит температуру до минус 196 °С, некоторые свободно выдерживают температуру жидкого водорода (минус 253 °С), а учеными Института металлургии Академии наук СССР создан титановый сплав, который не разрушается даже в самой холодной жидкости мира ~ жидком гелии (температура минус 269 °С). Что такому хладостойкому материалу, как титан, 60—70 °С ниже нуля? Сущие пустяки.

Разработанные титановые сплавы предназначены для изготовления оборудования, работающего в районах Заполярья и Крайнего Севера. Детали экскаваторов, тракторов, бульдозеров, сделанные из таких сплавов, будут необычайно долговечными и по-настоящему надежными.

В северных нефтегазодобывающих районах нередко выходят из строя центробежные колеса магистральных газопроводов. Сделанные из титана, они станут безотказными.

Но холод далеко не всегда враг. Часто он крайне необходим. И холод научились получать искусственно: начиная с прошлого века стали создавать специальные устройства, вырабатывающие холод средь жаркого лета. Родилась холодильная техника. Мы хорошо знаем ее в быту: домашние холодильники — полноправные ее представители. Правда, это не те холодильники, в которых развиваются температуры в 100 °С и более ниже нуля, необходимые во многих областях техники, и в которых применяются титановые сплавы.

По данным Всесоюзного научно-исследовательского института холодильного машиностроения, применение титановых сплавов для производства аммиачных компрессоров холодильных установок позволит создать машину лишь с одним агрегатом вместо двух и даст около 70 тысяч рублей годовой экономии по каждой установке. Из титана целесообразно изготовлять емкости для хранения и транспортировки жидкого гелия, водорода, азота. Кстати, температура жидкого азота (минус 196 °С) в технике низких температур является граничной. Она отделяет холодильную технику от криогенной.

ВБЛИЗИ АБСОЛЮТНОГО НУЛЯ.

Слово "криогенный” происходит от греческого ”криос” — холод. Но ведь холод — и 50, и 100, и 150 °С ниже нуля. Почему же возникла еще какая-то особая техника холода? Потому что многие вещества резко меняют свои физические свойства, если их охладить ниже температуры жидкого азота (ниже минус 196 °С).

Брусок свинца, например, обычно звучащий при ударе глухо вследствие своей мягкости, при криогенных, сверхнизких температурах твердеет и начинает звенеть. Сталь, которая никуда не годится уже в обычный сильный мороз, будучи охлажденной ниже 200 °С, рассыпается на осколки при малейшем ударе. У одних веществ резко возрастает теплопроводность, у других, напротив, падает. Значительно уменьшается электрическое сопротивление чистых металлов и сплавов.

Криогенные температуры начинаются с температуры жидкого азота. Но какого предела они достигают? Абсолютного нуля — минус 273,16 °С. Более низкой температуры в природе не бывает. Почему? Потому что именно при этой температуре молекулы прекращают свое движение, их кинетическая энергия равна нулю.

А ведь та или иная температура не что иное, как уровень кинетической энергии вещества.

Практически достичь абсолютного нуля невозможно, но можно максимально приблизиться к нему. Сейчас только сотые доли градуса отделяют исследователей от него. А температуры, отличающиеся от абсолютного нуля в несколько граду-

Сов, были достигнуты еще в самом начале нашего века. Жидкий гелий имеет температуру минус 263—269 °С. Впервые его получил голландский физик Гейке Камерлинг-Оннес в 1911 году.

Вполне понятно, что, едва получив столь необычное вещество, голландский профессор принялся экспериментировать с ним. Один из опытов заключался в том, что ученый погружал в необычный гелий различные вещества и измерял их электросопротивление. При проведении именно этого опыта и было обнаружено явление, названное Камерлинг-Оннесом сверхпроводимостью.

Некоторые металлы, погруженные в жидкий гелий, совершенно утрачивали электрическое сопротивление. Происходило это скачком, резко, мгновенно. Вещества как бы становились совершенно другими, непохожими на себя. Сейчас установлено, что способностью к сверхпроводимости обладают 26 чистых металлов и большое количество сплавов и соединений. Среди них и титан, который как известно, обычно плохо проводит электрический ток.

В начале века сверхпроводимость не имела никакого практического значения, однако в наши дни она, как и вся криогенная техника, играет важную роль в дальнейшем научно-техническом прогрессе.

Большие успехи достигнуты в деле разработки быстродействующих сверхпроводящих переключателей, так называемых криотронов, предназначенных для использования в новейших электронно-вычислительных машинах. Прежде прогресс электроники связывали исключительно с полупроводниками, ныне — со сверхпроводниками.

Для накапливания энергии от маломощного источника тока с целью мгновенного ее разряда очень удобны сверхпроводящие соленоиды. С помощью сверхпроводников создают устройства для усиления сигналов. Широко изучается вопрос о возможности создания сверхпроводящих линий электропередач, кабели которых должны охлаждаться жидким гелием.

Западногерманская фирма ”АЭГ-Телефункен” провела сравнение технико-экономических показателей трех линий электропередач постоянного тока. При этом все три линии имели одинаковую электроизоляцию и один диаметр, различались только проводящими материалами. В одном случае это была чистая медь, нагретая до 70 градусов, в другом — чистый алюминий, охлажденный жидким водородом до минус 253 градусов, и, наконец, в третьем — сверхпроводящий сплав ниобий-титан, охлажденный жидким гелием. Оказалось, что кабели из сверхпроводящего сплава смогут передавать энергию, по мощности впятеро большую, чем медные и алюминиевые.

Эффективность таких сверхпроводящих линий тем выше, чем больше передаваемая мощность, поэтому они будут незаменимыми при передаче мощности 3000000 киловатт и выше. При передаче такой мощности стоимость оборудования и эксплуатации сверхпроводящего кабеля гораздо ниже стоимости обычных проводников.

Разрабатываются мощные турбогенераторы со сверхпроводящей обмоткой возбуждения, охлаждаемой жидким гелием. Роторы таких турбогенераторов должны обладать не только высокой удельной прочностью и хорошей коррозионной стойкостью, но и хладостойкостью, низкой теплопроводностью, немагнитностью. Титановый сплав, созданный в Институте металлургии АН СССР, отвечает всем требованиям и сохраняет свою пластичность даже при температуре жидкого гелия. Испытания сплава подтвердили его полную пригодность как материала для роторов именно таких турбогенераторов.

ГОРИЗОНТЫ ТРАНСПОРТА БУДУЩЕГО.

Замечательные свойства титана — легкость, прочность, высокая стойкость против коррозионного разрушения — в полной мере проявляются при использовании нового промышленного металла не только в авиации, но и в наземных видах транспорта — на железных дорогах, в автомобилях, морских и речных судах.

О применении нового конструкционного материала в военно- морском флоте уже рассказывалось. Те же преимущества даст этот металл, если его использовать не только для военных кораблей, но и для нужд торгового и рыболовного флота. В результате повысятся дальность плавания и маневренность судов, будут значительно сэкономлены средства, затрачиваемые на ремонт материальной части и уход за нею. Корпуса судов, обшитые листами титана, совершенно не будут нуждаться в окраске. Высокая стойкость титановых сплавов в движущейся воде делает их наилучшим материалом для подводных крыльев и стоек.

В Институте проблем литья Академии наук УССР разработана технология изготовления керамических форм для получения крупногабаритных отливок из титановых сплавов. В этих формах изготовлены гребные винты для речных и морских судов.

Габариты винта достигают метра. Титановые винты обладают целым рядом преимуществ.

Лучшими материалами для гребных винтов считаются латунь и бронза, стойкие в морской воде, хотя ежегодно коррозия все равно проникает в глубь металла на несколько сотых долей миллиметра. Титан же не просто стоек в морской воде, он — абсолютно стоек, то есть, как уже говорилось об этом выше, практически не разрушается. В меньшей степени титан подвергается и кавитационному износу. Все это и обеспечивает высокий срок службы гребных винтов из титановых сплавов.

Мало того. Титановый винт имеет массу всего 40 килограммов, тогда как бронзовый — почти 80 и стоит к тому же в полтора раза дороже. Облегченный винт снижает центробежную нагрузку на вал и увеличивает моторесурс дизельного двигателя теплохода. Эксплуатация каждого титанового винта средних размеров дает общий экономический эффект 700 рублей.

Применение нового конструкционного материала для клапанов, толкателей, механизмов газораспределения, шатунов, поршневых пальцев и других деталей двигателя позволяет уменьшить инерционные нагрузки на кривошипно-шатунный механизм, повысить предел усталости, снизить усилия на болты и гайки шатуна, увеличить число оборотов, а следовательно, и мощность двигателя. Увеличивается запас сил пружин, уменьшается на 30 процентов сила удара клапана о седло. Важными свойствами титановых сплавов, помимо высокой удельной прочности и стойкости против коррозии, являются сравнительно высокая жаропрочность, низкий коэффициент теплового расширения.

Применяемые в дизелестроении для шатунов высоколегированные стали далеко не полностью удовлетворяют требованиям эксплуатации: под влиянием растягивающих напряжений стали деформируются — текут. Титановые сплавы таких недостатков не имеют.

Титановый сплав ВТ5 (титан с небольшими добавками алюминия, железа и кремния) успешно использован на одном из отечественных дизелестроительных заводов для шатунов серийно выпускаемых мощных двигателей. Титановые шатуны показали высокую надежность, отличную коррозионную стойкость в среде паров масла и продуктов сгорания топлива, обеспечив длительную безотказную работу двигателей.

Обычно применяемые глушители автомобильных двигателей изготовляются из мягкой углеродистой стали и быстро выходят из строя вследствие прогаров и внешней коррозии. Использование титана позволяет избежать этого.

Японская фирма ”Кобе стил” разрабатывает титановые сплавы для автомобилестроения. Один из сплавов предназначен для изготовления впускных и выпускных клапанов и будет выдерживать нагрев до 800—900 °С. Этот новый титановый сплав в два с половиной раза легче стали, которую он заменит. Другой сплав, разработанный фирмой, станут применять для толкателей клапанов, клапанных тарелок, поперечных клиньев и шатунов. Оба сплава уже используются в гоночных автомобилях марок Е380 и Е382, выпущенных японской фирмой "Ниссан Мотор”, которая планирует применить эти сплавы также в спортивных машинах.

Объединенными усилиями трех японских автомобильных фирм из титанового сплава создан сверхлегкий двигатель, который в два с половиной раза легче обычного автомобильного мотора. Сплав более чем на 80 процентов состоит из титана, остальное — олово, алюминий, цирконий и совсем небольшое количество хрома и стали. Стоимость нового двигателя весьма велика и на первых порах его будут ставить только на дорогие машины.

В других странах титан применяется пока в основном в конструкциях гоночных автомобилей. Крупнейший производитель титана в США фирма ТМКА сконструировала гоночный автомобиль Т1-22. Автомобиль оправдывает свое название: он изготовлен почти целиком из титана, что и дает хорошие результаты. Титановые сплавы используют и во многих других американских гоночных машинах.

В автомобиле ”Инди-500” из титана сделаны клапанные приводы и выхлопная система. Успешно прошел испытания экспериментальный газотурбинный автомобиль. ”Огненная птица”, корпус которого полностью изготовлен из титана. Титан применен и в гоночном автомобиле ”Орел” компании AAR, завоевавшем Большой приз по итогам 24-часовой гонки в Бельгии.

Одна из канадских фирм использует титановые сплавы для изготовления шатунов двигателей гоночных машин, благодаря чему число оборотов мотора достигло 8600 в минуту, а мощность увеличилась на 8,8 киловатт. Титановый сплав, разработанный фирмой ”Кобе стил”, о котором сообщалось выше, используют в США и Англии для изготовления нагнетательных и выхлопных клапанов автомобильных двигателей.

Применение титана в автомобилестроении, конечно же, не ограничится гоночными машинами. Особо ответственные детали серийных автомобилей и двигателей также необходимо изготовлять из материалов, обладающих наилучшим комплексом свойств, что существенно повышает надежность и долговечность изделий и той техники, в которой они применяются.

На восстановление действующего парка машин ежегодно расходуются десятки миллионов рублей. Затраты на ремонт и межремонтное обслуживание — осмотры, проверки — иногда достигают в год четверти стоимости машины, а трудоемкость капитального ремонта грузового автомобиля в три, а нередко и в четыре раза превышает трудоемкость его изготовления. Показателем масштабов ремонтных работ может служить огромное количество запасных частей, которые выпускаются сотнями заводов и которых тем не менее не хватает.

Если же автомобильные детали изготовлять из сплавов титана, они будут надежными и долговечными. Это позволит значительно сократить ремонты, увеличить срок службы, благодаря чему можно сэкономить многие миллионы рублей. Наиболее целесообразно использовать титановые сплавы для деталей двигателей, несущей конструкции и ходовой части, причем самыми подходящими сплавами для деталей двигателя являются высокопрочные и жаропрочные титановые композиции, для несущих конструкций ~ сплавы средней прочности, а для ходовой части автомобилей — высокопрочные сплавы.

Замена стали титаном при производстве рам, осей грузовиков и автоприцепов позволит увеличить полезную грузоподъемность и срок службы, уменьшить износ покрышек, расход горючего, сократить затраты на ремонт и простои, что в конечном итоге не. только окупит стоимость титановых сплавов, но и даст существенную экономию средств. Снижение массы грузового транспорта всего на один килограмм увеличивает полезную нагрузку на сумму в несколько рублей.

Титан дает возможность уменьшить массу железнодорожных вагонов и тем самым снизить расход энергии, необходимой для их передвижения. Благодаря снижению общей массы подвижного состава становится возможным уменьшить габариты вагонных шеек и букс. Одна из зарубежных фирм — производителей железнодорожных вагонов — предполагает, что уменьшение массы вагона на 450 килограммов даст экономию в 2000 долларов. Другая фирма уже использует титановые сплавы в турбине поезда, развивающего скорость 260 километров в час.

СПЛАВ "ПОМНИТ”.

В самые последние годы у титана обнаружилось свойство, о котором прежде никто даже не догадывался: сплав этого металла с никелем (в соотношении 1 :1) обладает редкой и удивительной способностью "запоминать” форму. Изделие из такого сплава можно изогнуть, скрутить. Пройдет много времени, но стоит нагреть сплав до определенной температуры, как изделие ”вспомнит” свой первоначальный вид и распрямится (или изогнется, если его перед этим выпрямили).

Такие сплавы у нас в стране называются ”ТН”, за рубежом — ”нитинол”. В обоих названиях использованы первые буквы или слоги металлов, из которых изготовлены сплавы: соответственно титан и никель, никель и титан.

Первой областью применения свойства ”памяти” титана стали космические исследования: компактно упакованную антенну, занимающую совсем мало места, помещают в искусственный спутник Земли или межпланетный корабль, а в открытом космосе нагревают до нужной температуры и антенна растягивается на многие десятки метров. Нагревают ее, разумеется, не в печи, а пропуская через металл электрический ток.

Но немало работы найдется этим сплавам и на земле.

На большой глубине в нефтяной скважине проржавела труба и вместе с нефтью наверх стали поступать соленые грунтовые воды. Авария! Надо быстро принять меры. Быстро! . . Легко сказать. Чуть ли не месяц уходит на ремонт одной обсадной колонны: трубы надо поднять с глубины, доставить к месту ремонта, устранить неисправность, затем отвезти на место и, снова смонтировав, опустить на нужную глубину.

Сотрудниками института ТатНИПИнефть (г. Бугульма) разработана технология дистанционного латания поврежденных труб на нефтяных и газовых промыслах. Трубы остаются на местах, в внутрь скважины опускают "пластырь” из никелида титана. Спиральный электронагреватель разогревает вставленную в нужное место оболочку и та, "вспомнив” свою первоначальную форму, расширяется и плотно закрывает отверстие. Просто? Да! Экономично? Еще как! Стоимость ремонтных работ сокращается в 5 раз.

Но это не единственная область применения новых сплавов на земле. Благодаря им можно создать заклепки, которые не нужно расплющивать. Достаточно только вставить их в отверстие и нагреть — заклепки расплющатся сами. Такие заклепки крайне необходимы при сборке узлов конструкций в труднодоступных местах. И не следует думать, будто никелид титана можно использовать всего лишь несколько раз. Изделие из этого сплава при нагреве и охлаждении может безотказно сгибаться и разгибаться десятки, сотни тысяч раз. Стало быть, брусок сплава можно длительное время использовать как рычаг или клапан, где тепловая энергия непосредственно будет превращаться в механическую работу. Этот материал нужен чувствительным термомеханическим датчикам, противоударным устройствам, химическому оборудованию. Короче говоря, перед новыми сплавами большое поле деятельности!

ОТ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ ДО АВТОРУЧЕК.

В атомной промышленности титан не получил широкого применения. Однако наряду с цирконием его используют за рубежом в атомных спец- установках; в сплаве с ванадием рекомендуют в качестве возможного материала для оболочек реакторов на быстрых нейтронах. Титановый сплав, легированный алюминием, цирконием и углеродом, предложен для применения в атомных электростанциях.

Испытания целого ряда металлов с целью определения их пригодности для работы в конструкции ядерных реакторов с водяным охлаждением показали, что в охлаждающей воде таких установок, содержащей радиоактивные вещества, титан является одним из самых стойких металлов. Очень важно, что он в отличие от многих других материалов не разрушается под действием электрического тока, возникающего при химических реакциях.

В Англии получен патент на футеровку ядерных реакторов водного типа пористыми или перфорированными тонкими листами титана. Из этого металла также изготовляют стержни для контроля степени поглощения нейтронов.

Титан используют в химическом сепарационном производстве, где элементы ядерно го топлива растворены в азотной кислоте.

Имеется опыт успешного применения титана в установках для получения плазмы. Ученые Института атомной энергии имени И.В. Курчатова сообщают о безотказной работе титановых электродов в одной из таких установок.

Гораздо большее применение находит металл в приборостроении. Например, в США из титана изготовляют не тускнеющие, практически вечные зеркала для телескопов национальной обсерватории в Аризоне; в Японии его широко используют для изготовления затворов кинокамер и фотоаппаратов, мембран телефонов. На титановые конденсаторные микрофоны влияние изменений температуры сказывается в значительно меньшей степени, чем на стальные. Гибкие титановые трубки разработаны для бронирования кабелей. Компанией ”Вестингауз” подсчитано, что применение для этой цели титана вместо стали дает на каждый двухкилометровый пролет более 10 тысяч долларов экономии.

В электронной технике очень ценной оказалась способность титана при высоких температурах поглощать и связывать различные газы, благодаря чему удается получить в замкнутом пространстве прибора совершенный вакуум. Титан помещают, скажем, в электроннолучевую трубку еще до того, как из нее через отверстие начнут насосом выкачивать воздух. Когда же воздух выкачают, а отверстие запаяют, токами высокой частоты расплавляют находящийся внутри сосуда титан и тот жадно "схватывает” все оставшиеся после механической откачки атомы азота, кислорода, водорода.

Установлено, что по сравнению с барием титан позволяет достичь более высокого вакуума (почти в 40 раз). Именно это свойство титана успешно используют в конструкции специальных геттерно-ионных насосов, позволяющих искусственно получать на земле сверхвысокий вакуум межпланетного пространства.

Титан применяется для изготовления анодов высоковольтных кенотронов и катодов поляризационных электролитических конденсаторов, что существенно увеличивает срок их службы, используется в производстве полупроводниковых выпрямителей. В термоионных преобразователях находят применение титановые диски; снаружи эти приборы также окружены слоем титана, поверх которого нанесена оболочка из керамики. Поскольку при нагреве титан расширяется не в большей степени, чем керамические материалы, его с успехом используют при изготовлении электронных трубок микроскопических размеров.

Ведутся исследования по применению титана и его оксидов в тонкопленочных интегральных схемах. Рассчитывают, что использование именно таких пленок в сложных электронных приборах позволит делать их еще более миниатюрными, более надежными. Проводится работа по использованию особо чистого металла в производстве тонкопленочных конденсаторов.

Недавно было установлено, что применение титана в качестве материала для сетки электронных ламп снижает до минимума электронную эмиссию; это очень важно для улучшения параметров.

В Харьковском физико-техническом институте Академии наук СССР успешно завершены испытания установки ”Булат-4”, которая станет одевать в надежную броню детали машин и механизмов. Главным рабочим органом установки служит так называемый плазменный ускоритель с электродом из титана. Испаряясь при огромной температуре, титан взаимодействует с азотом и оседает на деталях ровной тонкой пленкой. В результате их прочность возрастает более чем в два раза.

Из титана изготовляют множество опытно-экспериментальных изделий, выпускаемых в небольших количествах: инвентарь для участников антарктических экспедиций, снаряжение для пожарных и альпинистов (которые особенно чувствуют каждый лишний грамм веса), теннисные ракетки, шары и клюшки для игры в гольф (в США), лыжные палки и садовые инструменты.

Иногда из нового металла изготовляют ружья для подводной охоты, мачты гоночных яхт. Отправляясь на опасное для жизни задание, американские агенты полиции нередко надевают под пиджаки и рубашки тонкие пуленепробиваемые жилеты из титанового сплава.

В общем машиностроении титан применяют при изготовлении пружин и диафрагм благодаря его высокой упругости. Предполагают, что металл станет конструкционным материалом для деталей штампов.

Всем известно, что шариковой ручкой можно писать только в том положении, когда пишущий узел обращен К земле. Наклоненная горизонтально (и уж, конечно, будучи перевернутой) ручка перестает писать, так как паста не вытекает. Изливаться же пасту заставляет земное тяготение и, казалось бы, в космосе, шариковые ручки совершенно непригодны. Но нет.

По заданию американского национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (сокращенно называемого НАСА) создана шариковая ручка, которой космонавты делают записи в условиях невесомости. Паста в ней находится под давлением и достаточно легкого прикосновения к бумаге, чтобы пишущая масса выделилась безо всякого труда. Корпус такой ручки отливает темно-серым металлическим блеском. Да, верно, он — из титана. И титановые ручки становятся доступными не только космонавтам.

"Перьевая не сдается” — под таким заголовком в одном из журналов появилось сообщение, рассказывающее о борьбе между шариковой и перьевой авторучками на американском рынке. Вот это сообщение.

"Несмотря на победное шествие шариковой ручки, перьевая не сдает своих позиций — ее устройство непрерывно совершенствуется. Вслед за сменными патронами с чернилами появилось перо, представляющее собой продолжение корпуса, отштампованного из титанового сплава — коррозионно устойчивого и вдвое более легкого, чем сталь. Под кончиком такого "пера” — переключающее устройство, позволяющее писать с легким и средним нажимом или же со средним и сильным”.

Глава 3. ТИТАН В НАСТОЯЩЕМ И БУДУЩЕМ.

ПЕРЕДНИЙ КРАЙ МЕТАЛЛУРГИИ.

Создание крупной титановой промышленности стало возможным только на базе последних достижений вакуумной металлургии. Титановая индустрия — крайне сложное производство и поэтому оно осуществляется только в некоторых наиболее развитых в промышленном отношении странах мира.

Трудность получения титановых сплавов заключается в том, что в металле, который в расплавленном состоянии жадно поглощает из воздуха кислород, азот, водород, а также вступает в реакцию с углеродом, железом и многими другими элементами, количество примесей не должно превышать сотых, а иногда даже и тысячных долей процента. В противном случае полученный титан становится непригодным для использования в качестве конструкционного материала.

Поэтому при плавке и формировании металла, при получении и охлаждении слитка, а также во время термической обработки, горячей прокатки и сварки титан изолируют от соприкосновения с воздухом. Все эти операции выполняют в вакууме или под защитой инертных газов—аргона или гелия. Требования к чистоте металла настолько велики, а обеспечить ее настолько непросто, что на одном из американских обрабатывающих заводов ковку и прокатку титана производят в больших герметических камерах, заполненных аргоном. Инертный газ обновляют каждые три часа. Вполне понятно, что обслуживающий персонал работает в скафандрах.

Конструкции некоторых печей для плавки титана напоминают боксы для испытания реактивных двигателей. Печь размещается в шахте из армированного железобетона и оборудуется специальными защитными устройствами, которые обеспечивают максимальную степень безопасности. Оператор находится в железобетонном отсеке и наблюдает за печью через окно из толстого и прочного стекла. Отдельные печи для производства титана оснащены сложной контрольной аппаратурой, оптическими перископами, телевизионными установками.

Промышленный выпуск металлического титана ведут двумя распространенными способами: восстановлением тетрахлорида титана (TiCl₄ ) магнием или натрием. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки.

Натриетермический метод восстановления титана был разработан гораздо раньше, чем способ восстановления металла расплавленным магнием. Его развивали и осваивали и Кириллов, и Нильсон, и Петерсон. Ведь именно при помощи натрия, как уже упоминалось, был получен чистый металлический титан Хантером в 1910 году. Но очень существенные трудности, неизбежно возникающие при работе с химически активным натрием, и представления о взрывном характере процесса затормозили развитие этого способа. Вильгельм Кролль, к примеру, считал его совершенно не имеющим перспективы. А перспектива имелась. Этот метод получил распространение в Англии (благодаря тому, что из-за отсутствия дешевого сырья там недостаточно развито производство металлического магния, тогда как производство натрия находится на высоте).

Восстановление титана натрием имеет целый ряд преимуществ перед восстановлением магнием. Благодаря большей химической активности натрия скорость процесса гораздо выше, что увеличивает и производительность реакторов. Натрий используется в реакции полностью, тогда как магний лишь на две трети. Мало того, при натриетермическом восстановлении титан получают в виде порошка, что позволяет выплавлять более однородные слитки. Есть и еще некоторые преимущества.

Но и недостатки способа также весьма существенны. При работе с натрием необходимо соблюдать специальные меры предосторожности, аппаратура должна быть предельно герметичной и надежной, что, помимо всего прочего, не дает возможности отводить из реактора в ходе процесса побочные продукты реакции. Серьезную трудность представляет и огромное количество тепла, которое надо быстро и эффективно отводить.

Но, пожалуй, самый серьезный недостаток этого способа — необходимость производства в больших количествах натрия — неконструкционного материала, который не находит достаточного применения, тогда как магний имеет самостоятельное значение и широко используется в технике. И потому магниетермический способ стал основным промышленным методом получения титана как у нас в стране, так и в США и Японии.

СТУПЕНИ РОСТА.

Титановая промышленность, как уже известно, начала свое развитие в США. Несколько лет никто в мире, кроме США, не производил титановую губку. Эта монополия объяснялась как тем обстоятельством, что американцам удалось заполучить не только патент Кролля, но и самого автора, так и агрессивным курсом крупнейшей капиталистической державы, резкой милитаризацией ее экономики. Но в 1952 году производство титана началось в Японии и США утратили свою монополию. Японцы быстро нарастили мощности по выпуску губки и уже к концу 1957 года выпуск ее превышал 3000 тонн. Основное количество титановой губки страна экспортирует, в том числе и преимущественно в США, так как по своему качеству японская губка гораздо лучше, чем американская. Она лучше и той продукции, которую выпускают все другие капиталистические страны.

В Англии производство титана началось в 1953 году. Спустя два года после начала опытного выпуска металла был введен в действие титановый завод в графстве Йоркшир. Англия—вторая держава капиталистического мира по выпуску титанового проката. Небольшое количество титана производит в последнее время ФРГ. Западногерманская фирма ”Контимет” перерабатывает импортную титановую губку в различные полуфабрикаты. Опытное производство титана налажено во Франции, Италии, Норвегии и Канаде. Но крупной титановой промышленностью располагают в мире только четыре державы “СССР, США, Англия, Япония.

Ученые нашей страны занялись изучением различных технологических способов производства титана в конце 40-х годов. Первыми стали заниматься проблемой отечественного титана специалисты. Государственного института редких металлов и Всесоюзного института авиационных материалов, затем к ним присоединились сотрудники Института металлургии Академии наук СССР, Всесоюзного алюминиево-магниевого института и многих других организаций. В 1954 году начал работать Подольский химико-металлургический завод (ПХМЗ), где впервые в нашей стране была получена партия нового металла. Опыт ПХМЗ был использован при создании крупнопромышленного производства титана.

Однако недостаточно было освоить опытное получение технически чистого титана. Стояла задача организовать крупное промышленное производство этого нужного стране металла. И она была решена в самые короткие сроки. Большую помощь службам Министерства цветной металлургии СССР, которому было поручено руководить развитием отечественной титановой промышленности, оказал организованный Академией наук СССР научный совет по титану, возглавляемый академиком Иваном Павловичем Бардиным.

Небезынтересна судьба этого выдающегося ученого-gатриота. Выходец из народных низов, благодаря своим незаурядным способностям и стараниям получивший в царской России образование инженера-металлурга, он долго не мог найти приложение своим силам и в поисках работы переселился в США. За океаном Иван Бардин работал простым металлургом по 10— 12 часов в сутки, до полного изнеможения. После нескольких лет эмиграции вернулся в Россию.

Октябрьская революция, которую Бардин принял всей душой, круто изменила его судьбу: бывший рабочий стал организатором строительства предприятий черной металлургии страны, крупным ученым, создателем и первым директором Института металлургии Академии наук СССР. Академик Бардин посвятил всю свою жизнь металлургии черных металлов. Он не занимался ни алюминием, ни магнием, ни медью, ни оловом. Но для одного цветного металла Бардин сделал исключение и в его наследии существенное место занимают исследования в области металлургии титана.

К тому времени, когда у нас начала создаваться титановая промышленность, Ивану Павловичу Бардину было 70 с лишним лет. Но возраст не помешал ему с молодым задором, с поистине юношеским энтузиазмом взяться за новое для него дело, возглавить его. Академик Бардин не просто возглавил отечественую титановую индустрию, но и стал ее вдохновителем, убежденным пропагандистом нового промышленного металла.

”С каждым днем открываются все новые и новые области применения этого обладающего прекрасными свойствами металла,—писал Иван Павлович.—Можно не сомневаться в том, что в ближайшем будущем титан станет одним из наиболее широко применяемых в технике металлов наряду с железом, алюминием и магнием...”. В интервью, данном в августе 1957 года газете ”Комсомольская правда”, Бардин называет титан ”юным богатырем, соперничающим со сталью”, металлом, обладающим такими замечательными свойствами, что они делают его не просто конкурентом, а ”опасным соперником” железа.

В создании и развитии отечественной титановой промышленности участвовали ведущие ученые, инженеры и организаторы производства—С. Г. Глазунов, Н. П. Сажин, В.А.Ильичев, П.И. Мирошников, А. К. Дроздов и многие другие. И вот 30 июня 1956 года в городе Запорожье состоялся митинг, посвященный выпуску в СССР первой крупнопромышленной партии тирана.

Днепровский магниевый завод, был пущен в эксплуатацию в 1935 году. Страна впервые получила собственный магний. Запорожский завод давал тогда шестую часть мирового выпуска этого металла. За успешное освоение выпуска магния, перевыполнение производственных заданий и развитие социалистического соревнования Днепровский магниевый завод $ 1939 году был награжден орденом Трудового Красного Зна1- мени.

В 1971 году на знамени предприятия появилась новая, самая высокая награда Родины —орден Ленина, а восстановленное из руин предприятие называлось Запорожским титано-магниевым комбинатом (ЗТМК), основной продукцией которого был уже губчатый титан. В сентябре 1969 года двум высшим сортам титановой губки, выпускаемой Запорожским титано-магниевым комбинатом, присвоен государственный Знак качества. Большая часть продукции, выпускаемой комбинатом, —именно высшие сорта, которые еще более совершенствуются с каждым годом.

В Запорожье находится Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт титана —единственное в мире учреждение, целиком занимающееся этим металлом, проблемами его металлургии, химии, применения в народном хозяйстве, его соединениями, проектированием предприятий, цехов и участков титано-магниевой промышленности.

Титано-магниевый комбинат в Запорожье—не единственное предприятие такого рода в стране. Спустя несколько лет после получения титана в украинском городе этот металл стали выпускать на Урале и в Казахстане —вошли в строй Березниковский и Усть-Каменогорский титано-магниевые комбинаты. С пуском в 1965 году Усть-Каменогорского комбината по производству этого металла Советский Союз вышел на ведущие позиции в мире.

Усть-Каменогорский титано-магниевый комбинат —одно из самых передовых предприятий страны. Ему нет равных по комплексному использованию сырья (когда,помимо основной продукции, из примесей извлекают побочную, пригодную к употреблению), степени извлечения металлов, качеству продукции. УКТМК—неоднократный победитель Всесоюзного социалистического соревнования. Весь производимый здесь товарный магний и более 70 процентов титановой губки имеют Знак качества.

Наша страна располагает теперь мощной производственной базой по выпуску "металла века". Отечественная промышленность не только обеспечивает потребность в титане всей нашей страны, но и позволяет экспортировать металл во многие зарубежные страны: как в государства, входящие в СЭВ, так и в США, Англию, Францию, ФРГ, Италию, Швецию и другие капиталистические державы, где он успешно выдерживает конкуренцию с лучшими сортами американских, английских и японских фирм. Советский титан покупает даже Япония, которая изготовляет самую высококачественную титановую губку среди стран капитализма.

БОЛЬШАЯ ЧЕСТЬ.

Наше время—время стремительного и неудержимого развития науки. Ежегодно в мире проводятся десятки, быть может, даже сотни международных конгрессов, симпозиумов, форумов на самом высшем уровне. Они посвящены целым направлениям в науке, большим проблемам, волнующим мировую общественность. Начиная с 1968 года проводятся симпозиумы, целиком посвященные титану.

Первый международный симпозиум по титану состоялся в Лондоне в мае 1968 года. На симпозиум съехались ведущие ученые и специалисты в области металлургии, обработки металлов, материаловеды — как теоретики, так и практики, которым было что рассказать друг другу. На этот международный форум привезли доклады представители ведущих организаций и фирм СССР, США, Англии и Японии. От Советского Союза участвовала делегация Академии наук СССР. Специалисты многих стран присутствовали в качестве гостей.

С трибун информировали о взаимодействии титана с низшими хлоридами и его применении в различных областях промышленности как стойкого против коррозии материала, о влиянии на титановые сплавы углерода и кислорода и об использовании этих сплавов в военной технике.

Представитель НАСА из Хьюстона, где США подготавливают к запуску свои космические объекты, сообщил, что в космических кораблях "Аполлон” были установлены сосуды высокого давления из титановых сплавов, легированных алюминием и ванадием. В каждом из кораблей применялось по 44 таких титановых сосуда.

Докладывалось об особенностях эксплуатации изделий из нового металла в условиях моря и суши, на земле и под землей, на заводах и под открытым небом. Но больше всего говорилось о применении нового промышленного металла в создании самолетов.

В двигателях современных реактивных самолетов количество использованного титана составляет от 15 до 35 процентов общей массы. Эти количества титана обеспечивают значительное снижение массы двигателя, что, в свою очередь, уменьшает общую массу конструкции самолета в 5—10 раз!

На симпозиуме по титану было заявлено, что "большие самолеты как дозвуковые, так и сверхзвуковые не были бы экономически оправданы или практически возможны, если бы не существовал титан".

Англичане представили интересные предложения по замене многих элементов каркаса сверхзвукового пассажирского самолета "Конкорд" титановыми. Если бы это удалось осуществить, то в самолете можно было бы разместить на 40 пассажиров больше, чем планировалось. А если бы остовы всех самолетов в английском гражданском самолетостроении стали изготовлять из титана, то при общих капиталовложениях в 20 миллионов фунтов стерлингов ежегодно можно было бы получать почти 40 миллионов фунтов прибыли.

Советские ученые тоже рассказали немало интересного своим зарубежным коллегам.

Как и любой другой мировой форум, первый симпозиум по титану имел не только сугубо научное, но и немаловажное политическое значение. Ведь ученые разных стран смогли лишний раз убедиться в том, что при всех национальных и идеологических барьерах, которые еще существуют, человечество все же—одна большая семья на планете Земля.

Четыре года спустя в американском штате Массачузетс состоялся второй всемирный симпозиум, посвященный все тому же "металлу века”. Эти годы не прошли бесследно для исследователей и практиков —им было что рассказать о новых достижениях в деле использования титана, а также о том, как преодолеваются старые и новые трудности, возникающие при работе с этим капризным, но тем не менее превосходным металлом.

Третий такой симпозиум состоялся в мае 1976 года в Москве. Более 500 ученых из почти сорока стран мира собрались в актовом зале Московского государственного университета. На конференцию были представлены 223 доклада, рассматривавшихся (в зависимости от их тематики) на тринадцати различных секциях. Откуда только ни были присланы доклады: академические учреждения и исследовательские лаборатории частных фирм, высшие учебные заведения СССР, США, Англии, Франции, Японии... Мир предстал здесь во всем географическом и этническом многообразии: свое слово в науке о титановых сплавах, изделиях из них сказали Атомный научно-исследовательский центр Бхабха (Индия) и лаборатория авиационных материалов военно-воздушной базы Райт-Пэттерсон (США), Американский исследовательский центр морского флота и центр ”Браун Бовери” из Швейцарии, Национальная аэрокосмическая лаборатория Нидерландов и корпорации ”Кобе стил Лимитед” (Япония) — десятки, сотни организаций. Больше всего было докладов советских ученых. В 1980 году прошел аналогичный симпозиум в Токио. Самый последний симпозиум по титану состоял ей в 1984 году в западногерманском городе Мюнхене.

ТИТАН УСТАРЕЛ?

”Титан, получивший за свои высокие механические свойства прозвище богатырского металла, только-только начал получать широкое распространение в сверхзвуковой авиации и ракетостроении, а некоторые специалисты считают, что он уже устарел. Таково, например, мнение исследователей-материаловедов английского Министерства техники. Применение титана позволило несколько лет назад вдвое снизить массу конструкций, изготавливающихся ранее из жаропрочной стали. А английские исследователи получили материал, при той же жаропрочности оказавшийся вдвое легче титана”.

Эта заметка была опубликована летом 1969 года в журнале ”Изобре- татель и рационализатор”. Что же за материал удалось получить английским специалистам? Алюминиевый сплав, толщу которого пронизывают тончайшие волокна карбида кремния. Такие, как их называют, композиционные материалы, составленные из менее прочного, но очень пластичного материала, армированного различными высокопрочными волокнами в форме сот, сеток, получают все большее распространение и привлекают к себе пристальное внимание как материаловедов, так и конструкторов. Предполагают, что к концу нашего века до 20 процентов от общего количества применяемых металлов будет приходиться на композиционные материалы.Заметка в журнале была интересна еще и тем, что в ней сообщалось не о лабораторном производстве армированного материала, а о его получении на полупромышленной установке, и о факте успешного производства из нового материала опытных заготовок методом литья под давлением. Титановые сплавы, говорилось далее, могли бы быть вытеснены уже сейчас, но дело упирается в высокую стоимость волокон из карбида кремния. Однако специалисты английского Министерства техники не унывают, так как полагают, что экономические проблемы будут успешно решены в самое ближайшее время и можно будет приняться за сооружение первого завода по выпуску сверхпрочных волокон.

Должно быть, ”самое ближайшее время" еще не пришло, поскольку титан еще не вытеснен. Все же такие сообщения надо принимать всерьез, так как и титан, и все другие металлы постоянно находятся под угрозой вытеснения неметаллическими материалами. Достижения химической науки позволяют получать вещества с превосходными свойствами как по механической прочности, так и по стойкости против коррозии. Есть настолько прочные и упругие стекла, что, будучи не толще обычного оконного стекла, спокойно выдерживают тяжесть автомобиля!

Разработаны десятки широко используемых неметаллических материалов, обладающих высокой коррозионной стойкостью. Среди них вещества неорганического и особенно органического происхождения. Перечислить их все нет никакой возможности, но даже если назвать только некоторые из них, то и тогда вас поразит их обилие: ведь туг будут ситаллы и стекло эмали, диабазовые и метлахские плитки, кислотоупорные эмали и цемент, стеклопластики, текстолит, фаолит, винипласт... Мало? Тогда, пожалуйста, еще: полиэтилены, фторопласты, пентопласт, полиизобутилен, эпоксидные смолы, замазки арзалит, лак бакелитовый, лак перхлорвиниловый... И это далеко не все из уже применяемых веществ, а ведь непрерывно создают еще более современные и совершенные.

Некоторые из неметаллических материалов обладают такой стойкостью, что конкуренции с ними не выдерживают не только титан, но и более коррозионностойкие металлы. Фторопласт-4, к примеру, совершенно не разрушается ни в серной, ни в соляной, ни в азотной кислоте, даже если они сильно нагреты, нипочем ему горячие щелочи и соли. Из органических материалов изготовляют разнообразные изделия. То есть пластики, лаки, смолы также являются конструкционными материалами.

Так что неметаллические материалы —очень серьезные конкуренты металлов. И все же металловеды считают, что металлы всегда будут основными конструкционными материалами техники как бы ни развивалась химия. И думать именно так у них есть серьезные основания. Дело в том, что только металлы под воздействием местной перегрузки деформируются, не разрушаясь (пластически), причем местная пластическая деформация сопровождается как бы одновременным само упрочнением вещества. Неметаллические же материалы под воздействием перегрузки трескаются, а затем разрушаются вследствие присущей им хрупкости.

Правда, среди неметаллов есть вязкие материалы, способные "течь", но их пластическое течение не сопровождается одновременным само упрочнением, а вызывает уменьшение сечения изделия и приводит к возрастанию в нем напряжений. Неметаллы не способны изменить свою форму без потери прочности —вот самое существенное практическое отличие их от металлов. И это различие принципиально неустранимо. Оно не объясняется только лишь недостаточным уровнем развития современной науки.

Как бы ни развивалась наука в будущем, неметаллы, вероятно, не смогут заменить и вытеснить металлы. Почему? Потому что металлы имеют особое строение: внутри кристаллической решетки у них находятся свободные электроны. Наличие свободных, принадлежащих всему кристаллу,

А не определенному атому электронов и обеспечивает металлам способность к пластической деформации и самоупрочнению—наклепу.

Но, быть может, ученым будущего удастся изменить строение неметаллов и те обретут пластичность благодаря появившемся у них свободным электронам? Допустим, что именно так и произойдет. Но ведь тогда это будет не что иное, как превращение неметаллов в металлы! Появятся хоть и искусственные, но все же металлы, потому что наличие в веществах свободных электронов и служит важнейшим показателем именно металлов.

Не будем гадать, какими достоинствами станут обладать эти фантастические искусственные металлы, заменят ли они металлы природные. Лучше задумаемся над тем, что, несмотря на обилие сталей, чугунов, сплавов цветных металлов, количество которых, взятых всех вместе, на сегодняшний день исчисляется десятками тысяч наименований, ни один из металлов ”не устарел” и не выброшен за ненадобностью на свалку истории.

В самом деле, ведь и сейчас с успехом используют все те металлы, которые были известны людям еще при первобытно-общинном строе: и медь, и бронза, и железо, не говоря уж о золоте и серебре. Бурно развивающаяся алюминиевая промышленность нисколько не поколебала пьедестала, на котором стоит железо —важнейший металл современности. Появление магниевых сплавов не упразднило сплавов на основе алюминия. Точно так же и титан не ”отменил” алюминия, железа, магния и любого другого металла, так что если когда-либо и будет создан материал, превосходящий по комплексу своих свойств титан, последнему тоже найдется работа. Тем более, что титан не собирается сдаваться без боя: разрабатываются все более совершенные сплавы на его основе, превосходящие обычные во много раз по стойкости против коррозии, прочности, сопротивлению высоким температурам. Совершенствуются процессы химико-термической обработки поверхности. Так, например, в результате процессов алитирования и алюмосилицирования, при которых поверхность металла насыщается атомами алюминия и кремния, жаростойкость титановых сплавов возрастает настолько, что они выдерживают длительный нагрев при температуре около 1000°С, а кратковременно могут эксплуатироваться даже при 1300°С!

Так что рановато стали поговаривать о ”старости” титана. Этот металл в расцвете сил, у него еще очень много дел и на Земле, и в космосе, и если бы каким-нибудь образом удалось заглянуть в будущее, мы с вами, по всей вероятности, воочию убедились бы в этом. К сожалению, такой возможности нет, путешествовать во времени пока не удается. Впрочем, есть люди, которые тем только и занимаются, что всматриваются в даль времени, пытаясь предугадать будущее, увидеть его своим внутренним взором, а затем рассказать об увиденном остальным. Конечно же, речь идет о писателях-фантастах —профессиональных "разведчиках будущего”. Давайте отправимся в путь вместе с ними.

МНЕНИЕ ПИСАТЕЛЕЙ-ФАНТАСТОВ.

Роман известного советского фантаста и учено го-палеонтолога Ивана Ефремова "Туманность Андромеды” получил признание у читателей всего мира. В центре произведения—люди далекого коммунистического будущего, их образ жизни, техника, которая помогает им в преобразовании природы. В этой деятельности металлы играют не последнюю роль и в самых первых рядах — титан.

Один из главных героев романа, Дар Ветер, по собственному желанию получает работу на самом физически трудном поприще деятельности людей того времени—в подводных титановых рудниках, находящихся на западном побережье Южной Америки. Вот что открывается взору героя, когда он прибывает на место своей работы.

"Далеко в море выдавалась искусственная мель, заканчивавшаяся обмытой ударами волн башней. Она стояла у края материкового склона, круто спадавшего в океан на глубину километра. Под башней вниз шла отвесно огромная шахта в виде толстейшей цементной трубы, противостоявшей давлению глубоководья. На дне труба погружалась в вершину подводной горы, состоявшей из почти чистого рутила—оксида титана. Все процессы переработки руды производились внизу, под водой и горами".

Очевидно, по мнению автора "Туманности Андромеды", в далеком будущем запасы титановых руд на поверхности нашей планеты будут полностью использованы и человечество займется залежами, находящимися на большой глубине. Один из таких рудников-заводов и описан в романе советского фантаста.

Дар Ветер становится механиком по проверке и наладке агрегата, в котором ведется первичная обработка руды. Всего на руднике работало восемь человек, в том числе и несколько женщин. Спустя несколько дней Дар Ветер освоился с новой для себя деятельностью и стал настоящим работником титанового предприятия, которое имело собственные ядерные энергетические установки, находящиеся в старых выработках, на большой глубине.

Как и все остальные работники рудника, он удовлетворен результатами своего труда: аккуратно уложенные бруски титана ежедневно отвозятся на специальных плотах. Живет Дар Ветер в оранжевом домике с синевато- серой крышей. В таких оранжевых или ослепительно желтых особняках живет весь персонал предприятия, которое находится вдали от основных магистралей и поселений. Но люди не чувствуют себя заброшенными, живут активной духовной жизнью, не испытывая ни в чем недостатка, и наш герой—тоже. Когда обычная музыка, ежевечерне звучащая в поселке металлургов, уже им не воспринимается, Дар Ветер вызывает из Дома Высшей Музыки свою любимую цветомузыкальную симфонию "фаминор-синий".

Люди почти совершенного будущего не трудятся подолгу на одном и том же месте, чтобы однообразие работы не притупляло ощущения романтической новизны, не снижало энтузиазма, не препятствовало радости, которую доставляет свободный труд. И наш герой трудился на руднике до тех пор, пока тяга к космосу не оказалась сильнее.

В повести выдающегося польского фантаста Станислава Лема "Непобедимый” действие развивается вокруг загадочной гибели экипажа космического корабля "Кондор”. Прилетевшие на неведомую планету люди с корабля "Непобедимый” пытаются разобраться в причинах гибели своих предшественников, знакомясь с их кораблем. По мнению Станислава Лема, обшивка кораблей будущего будет изготовлена из сплава титана с молибденом.

”Роган, Баллмин, биолог Хачеруп и один из техников, Кралик, вчетвером вошли в кабину. Роган по укоренившейся привычке посмотрел на мощную выпуклость корпуса, проплывающую за переплетом клети, — и остолбенел. Титаномолибденовые плиты были все не то насверлены, не то исколоты каким-то ужасающе твердым инструментом, отверстия эти были неглубоки, но до того густо усеивали наружную оболочку корабля, что вся она стала рябой, словно от оспы. Роган тряхнул за плечо Баллмина, но тот сам уже заметил эту диковинку. Оба они уставились на странные отверстия, стараясь получше их разглядеть. Все дырочки были маленькие, словно выдолбленные острием долота, но Роган знал, что нет такого долота, которое вгрызлось бы в оболочку космического корабля”.

Как видите, польский фантаст, "используя” титан, создает сплав, который ”не по зубам” обычным земным инструментам и служит надежной защитой экипажей звездолетов. Прочность сплава поистине фантастическая.

”—Коллега Петерсен, чем можно пробрать такую оболочку?

Если она соответствует кондициям, то, собственно, ничем, ответил заместитель главного инженера. —Можно ее слегка насверлить алмазами, но и на это потребуется чуть ли не тонна сверл и тысяча часов времени. Уж скорее кислотами. Но кислотами неорганическими, и они должны бы действовать при температуре самое меньшее две тысячи градусов и при участии соответствующих катализаторов.

А что, по-вашему, изъело броню ”Кондора”?

Понятия не имею. Он мог бы так выглядеть, если бы сидел в кислотной ванне при соответствующем нагреве. Но как это было сделано без плазменных дуг и без катализаторов, этого я себе не могу представить”.

При всем ”уважении” к титану и молибдену следует все же сказать, что польский писатель несколько переоценил возможности такого сплава. Дело в том, что титаномолибденовые сплавы уже созданы —как за рубежом, так и у нас в стране. Они действительно обладают феноменальной стойкостью в кислотах, обрабатывать их в самом деле не просто, но тонны алмазов и тысячи часов для этого не требуется.

Отечественный титаномолибденовый сплав состоит, как это нетрудно догадаться, из титана и молибдена, взятых в соотношении два к одному. Сплав создан не для того, чтобы служить прочной обшивкой, выдерживающей колоссальные механические нагрузки, а для использования в химическом машиностроении в качестве материала, стойкого в концентрированных соляной и серной кислотах. Уже накоплен некоторый опыт его применения.

Это наиболее стойкий против коррозии титановый сплав: в кипящих растворах неорганических кислот он превосходит обычный титан по стойкости в тысячу раз! Что же касается его твердости, то она лишь вдвое выше, чем у технически чистого титана. Обрабатывать его примерно в 4—5 раз труднее, чем обычную углеродистую сталь, но резцы из твердых сплавов вполне справляются с ним. Обработка ведется на обычном оборудовании. Правда, очень трудно получать из этого сплава полуфабрикаты, но все же он уже взят современной техникой на вооружение, тогда как польский фантаст видит его только в отдаленном будущем. Но то, что и в будущем приходится рассчитывать на титановые сплавы,—это, пожалуй, верно.

Что же касается такой фантастики, как американская, то в очень многих произведениях самых различных авторов титан упоминается как один из обычных материалов, окружающих людей будущего в их повседневной деятельности.

Итак, ведущие фантасты мира считают, что титану найдется работа и в отдаленном будущем. Думается, что они совершенно правы.

Глава 4. ТИТАНОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ.

РЕДКИЙ МЕТАЛЛ?

Еще и сейчас титан иногда называют редким элементом, что в общем-то не соответствует действительности. По содержанию в земной коре титан уступает только трем конструкционным металлам: алюминию, железу и магнию. В недрах нашей планеты титана в 6 раз больше, чем марганца, в 20 раз больше, чем хрома, в 30 раз больше, чем никеля, в 50 раз больше, чем меди и цинка (а ведь ни медь, ни цинк никто и никогда не считал редким металлом), в 100 раз больше, чем вольфрама и молибдена. Взятые вместе все вышеназванные металлы, если даже к ним прибавить еще ванадий, кобальт и ниобий, составят всего лишь одну десятую часть того количества, которое приходится на титан.

Только в зарубежных странах разведанные к настоящему времени запасы титановых руд составляют более 2 миллиардов тонн. Из такого количества сырья может быть получено 140 миллионов тонн металлического титана.

Один из наиболее важных и распространенных титановых минералов — рутил. Это хрупкие, с алмазно-металлическим блеском кристаллы. Они могут быть красновато- коричневыми, иногда совсем красными, иногда желтоватыми, синеватыми, фиолетовыми и даже совсем черными. И очень редко — зелеными.

Кристаллы рутила почти целиком состоят из двуокиси титана, но в них также содержатся окислы железа, алюминия, магния, тантала, ниобия. Эти соединения и придают минералу такую разнообразную окраску. Кристаллы рутила прозрачны, но если кусочком минерала провести по бумаге, то он оставит слабую коричневую черту.

Когда-то рутил назывался "красным венгерским шерлом". Именно эти красновато-коричневые кристаллы исследовал в свое время немецкий профессор-химик Мартин Клапрот, когда вслед за Уильямом Грегором открыл элемент титан.

А что за крупицы обнаружил тогда Грегор в черном магнитном песке? Это ильменит. Так называется минерал железно-черного или бурого цвета со слабым блеском, отдаленно напоминающим металлический. Ильменит—титанистый железняк. Он представляет собой соединение железа, титана и кислорода. Титана содержится в ильмените не так уж и много — около 30 процентов, и то в пересчете на оксид.

В минерале перовскит титана почти вдвое больше, чем в ильмените. А распространенный титановый минерал сфен содержит около 25 процентов титана.

Известно более 100 минералов, в которых титан содержится в виде диоксида или солей титановой кислоты, однако для промышленной переработки пригодны только те, месторождения которых достаточно распространены и велики. К их числу относятся рутил и особенно ильменит, но и их месторождения, пригодные для промышленной разработки, встречаются только в немногих местах земного шара. Крупных месторождений титановых руд в мире насчитывается чуть более 150.

Руды, пригодные для промышленного производства металлического титана, бывают коренные и россыпные. К коренным относят титано-магнетитовые руды, залегающие сплошными массивами в виде жил. Уместно сказать, что свое название минерал ильменит получил от Ильменских гор. К такому типу относятся руды многих месторождений США, Канады, Финляндии.

Россыпные месторождения титана образовались в результате разрушения горных пород. Ильменит, рутил и другие тяжелые титансодержащие минералы накапливаются в горном песке. Водные потоки уносят песок в моря и океаны, но значительная часть его остается на побережье и занимает большие площади.

А вот пески, про стирающиеся на сотни километров вдоль восточного побережья Австралии, служат сырьевой базой для титановой промышленности Соединенных Штатов Америки. Экспорт рутила в США начался задолго до начала производства металлического титана.

После того, что вам о титане уже известно, у вас вполне могло сложиться мнение, будто все добываемые на земном шаре титансодержащие руды перерабатывают в серебристо-серый легкий и прочный металл. Но такое мнение весьма далеко от истинного положения дел, так как в металл перерабатывают всего лишь одну двадцатую часть используемого титанового сырья. "Куда же девают остальные девятнадцать частей, эту уйму ильменита, рутила, сфена? —наверное, спросите вы. Перерабатывают в пигментную диоксид титана —ту самую наилучшую белую краску, о которой говорилось еще в начале книги.

Увы, на сегодня титановая промышленность не столько металлургия, сколько промышленность по производству белого красителя, завоевывающего с каждым годом все большую популярность. Что ж, с этим тоже приходится считаться и металлурги разрабатывают и совершенствуют способы получения полупродуктов для производства титана, одинаково пригодные как для извлечения металла, так и для выпуска титановых белил.

Пляжные пески Австралии тянутся довольно узкой полосой, но в некоторых местах ее ширина составляет чуть ли не километр. Это обширное месторождение эксплуатируется с начала 30-х годов нашего века и до сих пор не исчерпано, несмотря на то что в последнее время ежегодное количество обогащенных титановых руд, вывозимых оттуда, измеряется сотнями тысяч тонн.

Россыпные месторождения титановых руд —это не только ныне существующие пляжи и прибрежные полосы, они нередко залегают на месте доисторических берегов и морей, погребенных под многометровым слоем глинистых песков и зеленовато-серых глин.

ОТ РОССЫПИ ДО КОНЦЕНТРАТА.

Все титансодержащие минералы содержат большое количество посторонних включений, поэтому прямо на местах добычи титановые руды обогащают, то есть отделяют породу, содержащую титан, от пустой породы и от сырья, содержащего железо. В зависимости от того, какие именно руды обогащают, применяют тот или иной метод.

Наиболее часто встречающиеся титановые руды промышленного значения—ильм енитовые—обогащают путем магнитной сепарации, так как магнитная проницаемость их составных частей различная.

Руду в несколько приемов измельчают, в результате чего ее крупицы становятся похожими на пыль. Измельченную руду подают в специальный магнитный сепаратор на ленту транспортера. Над этой лентой быстро движется другая, рядом с которой установлен электромагнит. Поскольку частицы магнетита—железосодержащего сырья — сильно притягиваются магнитным полем, они пристают к поверхности быстро движущейся ленты и уносятся ею в специальный бункер. Немагнитная фракция, куда входят ильменит и пустая порода, попадает в другой приемник.

Теперь необходимо отделить ильменит от пустой породы. Обычно пустую породу из ильменитовой руды удаляют на концентрационных столах.

Концентрационные столы—это специальные машины, состоящие из качающихся плоскостей, омываемых водой. Под действием силы трения и давления воды и благодаря тому, что наклонные поверхности стола непрерывно вибрируют, происходит расслоение руды: тяжелые зерна размещаются в самом низу, легкие же занимают места наверху. Тяжелые зерна—это крупицы ильменита, они вдвое тяжелее пустой породы.

Столы неспроста называют концентрационными, так как с их помощью удается получить минералы в концентрированном виде, в данном случае ильменитовый концентрат, который примерно наполовину состоит из двуокиси титана. Однако, кроме оксида титана, в его составе находится значительное количество оксидов железа, алюминия, кремния, магния и других элементов. Особенно много в ильменитовом концентрате соединений железа. Чтобы отделить титановое сырье от железа, железо-титановые руды необходимо переплавить. Такую восстановительную плавку уже делают на титано-магниевых комбинатах.

ЭКСКУРСИЯ НА КОМБИНАТ.

Титано-магниевые комбинаты —огромные промышленные предприятия, где каждый цех представляет собой как бы самостоятельный завод. "Рождению” титана предшествует несколько стадий, так называемых переделов, каждый из которых—определенный технологический этап.

Восстановительная плавка ильменитового концентрата — первая стадия переработки сырья на комбинате. В обычные электродуговые печи, представляющие собой ванны из огнеупорного кирпича с опущенными почти до самого дна графитированными электродами, загружают шихту. Она состоит из ильменитового концентрата и специального углеродистого восстановителя— кокса, антрацита и других углеродсодержащих веществ с наименьшим количеством золы и серы. В результате плавки раздельно получают богатые титаном шлаки и обычный чугун. Присутствие в чугуне титана действует благотворно на черный металл, поэтому при производстве чугуна и стали титан к ним нередко добавляют специально. Здесь же титан переходит в чугун непосредственно из ильменитового концентрата.

Входящий в состав ильменита оксид железа восстанавливается до металла* который опускается на дно ванны и, насыщаясь у гл ерю дом, превращается в чугун. Чтобы отделить титановые шлаки от чугуна, жидкой массе дают отстояться. Титановые шлаки всплывают, а более тяжелый чугун оседает на дно, так происходит их разделение. Основу шлака составляет диоксид титана, но он загрязнен примесями соединений железа, кремния, кальция.

Остывший шлак представляет собой порошок, в котором отчетливо видны мелкие чешуйки. В титановый шлак добавляют нефтяной кокс. Кокс служит одновременно и топливом, и восстановителем. В качестве связующего вещества применяют каменноугольные пек или смолу. Из полученной массы, называемой шихтой, прессуют брикеты. Их высушивают, затем в специальных печах, куда не проникает воздух, при температуре 700 — 900°С спекают. В результате происходит процесс коксования, поры в брикетах увеличиваются. Теперь уже можно подавать брикеты в шахтную электропечь.

Печь для хлорирования —это стальной цилиндр, выложенный изнутри слоем особостойкого кирпича. В цилиндр через загрузочное устройство сверху подают брикеты шихты, с помощью электронагревательных элементов доводят их температуру до 800—850°С. Хлор подают снизу. Оксиды титана практически не взаимодействуют с газообразным хлором, поскольку даже незначительные следы кислорода препятствуют этому. Чтобы связать свободный кислород, облегчить тем самым хлорирование, и добавляют кокс, так как кокс практически не что иное, как углерод, а углерод хорошо связывает кислород. Печь герметически закрыта и работает непрерывно. Процессы хлорирования идут в нижнем, нагретом слое шихты. По мере расходования брикетов добавляют новые, причем загружают их так, что герметичность печи не нарушается. В результате хлорирования атомы титана "порывают” связь с кислородом и, соединяясь с хлором, образуют молекулы четыреххлористого титана (TiCl₄).

При комнатной температуре это— жидкость, бесцветная и неспокойная. Она чрезвычайно активна и реагирует с очень многими веществами, в том числе и с водой. Поскольку в воздухе практически всегда есть влага, то достаточно открыть сосуд с TiCl₄ —и начинают образовываться белые сгустки дыма. Способность этого соединения к дымообразованию была использована еще в годы первой мировой войны для создания дымовых завес. В мирные дни белый дым спасает фруктовые деревья от заморозков. Главное же назначение TiCl₄ — служить основным исходным материалом для получения легкого, прочного и стойкого металла.

Чистый TiCl₄ прозрачен, но в промышленных условиях он редко бывает таким. Обычно TiCl₄ желто-коричневая или даже темно-бурая жидкость, и неудивительно—ведь она загрязнена. Чего в ней только нет. Хлор, фосген, кислород, азот, магний, марганец, каменный уголь, соединения железа, ванадия, ниобия, алюминия, кремния... Всего не перечислить! Примеси и растворены в веществе, и находятся в нем в виде нерастворимых частичек (так называемые механические примеси).

Очистить раствор от механически взвешенных примесей сравнительно несложно: его достаточно профильтровать. А с примесями, растворенными в жидкости, поступают так. Первым делом очищают TiCl₄ от соединенй ванадия. В раствор добавляют медный порошок, происходят сложные химические реакции и в результате получается твердая взвесь, суспензия. Твердые частицы извлекают, а осветленный раствор вновь фильтруют.

Соединения ванадия не просто примеси, это ценные, нужные промышленности вещества, и, очищая ТЮ14, на титано-магниевых предприятиях одновременно извлекают пентаоксид ванадия, соединения ниобия и других редких и потому дефицитных элементов. Иными словами, помимо титана и магния, ведется побочное производство других веществ, хотя и в меньших количествах. Кроме того, стремятся при очистке и переработке сырья извлекать как можно больше титана. Но это—задачи вспомогательные. Основная задача—тщательнейшим образом очистить жидкий TiCl₄ : ведь суммарное количество примесей в этом соединении не должно превышать одной сотой доли процента.

Особенно вредны для металлического титана кислород, азот, углерод, кремний и водород. Избавиться от них удается благодаря тому, что их соединения кипят при других, отличных от TiCl₄, температурах. Происходит это в технологической установке, основу которой составляют две ректификационные колонны из нержавеющей стали. Ректификационная колонна-это вертикальная труба диаметром около метра, перегороженная горизонтальными полками с отверстиями, через которые вверх поднимается пар, а вниз стекает жидкость. В колонне поддерживается различная температура: в нижней части — повышенная, в верхней — менее высокая.

Подогретый до 60°С TiCl₄ подается в первую колонну (в средней ее части), затем во вторую. Вследствие различных температур кипения веществ и многократного контактирования друг с другом паров загрязняющих соединений исходная смесь практически полностью разделяется, вещество TiCl₄ удается очистить до нужной степени.

Итак, полупродукт очистили. А дальше?

В реакционный аппарат (из которого предварительно выкачали весь воздух, заменив аргоном) подают расплавленный магний и тут же начинают нагнетать TiCl₄. Вещества вступают в контакт друг с другом и возникает стремительная, интенсивная, бурная реакция. Если бы удалось заглянуть внутрь, глазу предстала бы картина, подобная пожару. Но этот пожар управляем. К тому же горит не вся масса веществ, а только тонкий слой в месте их соприкосновения.

Магний "разрывает” TiCl₄ на составные части: хлор и титан. Освободившийся было хлор тут же соединяется с магнием, образуя хлористый магний, а титан остается свободным. Хлопья титана собираются в сгустки, оседая на стенках. Процесс идет до тех пор, пока сосуд не заполнится получаемыми продуктами. Все это время снаружи стенки реактора охлаждаются потоками воды.

Когда процесс прекращается, подъемным краном реактор извлекают из печи, охлаждают и разбирают. Открытую реторту помещают в специальный аппарат, где полученный титан нагревают в вакууме и из толщи рыхлого металла легко испаряются загрязняющие его примеси.

Извлечь титан из реактора не просто: он прикипает к стенкам. Приходится выбивать массу отбойным молотком. Собственно говоря, извлека- 108 ют еще не металл, а так называемую губку. Но что такое титановая губка? Титан ли это? Титан. Почему же в таком случае употребляется слово ”губка”? Потому, что полученный в реакторе титан совсем не похож на серебристо-серый, плотный и звонкий монолитный металл. И если показать губку несведущему человеку, ничего не говоря и не объясняя, тот никогда не поверит, что ему показывают металл, да еще такой удивительный, как титан.

Представьте себе рыхлую, причудливо запекшуюся пепельно-серую массу, похожую не то на какое-то глубоководное чудовище, не то на серые водоросли, не то на застывшую лаву вулканов с хаотическими прожилками, порами, изъязвлениями. От нее не так уж трудно отбить молотком небольшие куски, а некоторая часть причудливой массы может даже выкрошиться сама.

Но если ударять молотком по одному и тому же месту, пористая масса будет спрессовываться и вскоре сверкнут настоящая титановая поверхность, звенящая и прочная. Такова титановая губка и не случайно ее так назвали: по внешнему виду она действительно похожа на настоящую губку. Титановую губку измельчают. Хотя губка и очищена, в ней все же имеются незначительные остатки хлористого и металлического магния, которые интенсивно поглощают влагу из воздуха, и в губку попадает вода. А это недопустимо, поскольку значительно ухудшается качество металла. Вот почему все операции по обработке губки после ее очистки проводят в помещениях с максимально сухим воздухом, а готовую губку хранят и транспортируют в специальной герметически закрывающейся таре. Иногда контейнеры с нею заполняют аргоном.

Так получают титановую губку и технология ее производства очень и очень непроста. К тому же процесс восстановления титана не является непрерывным. Реактор работает по прямому назначению только часть времени, а в остальное — используется на вспомогательных операциях. Сложность технологии, ее несовершенство, трудоемкость работ приводят к тому, что из природного сырья, которое стоит совсем недорого и имеется в большом количестве, получают металл стоящий намного дороже алюминия, магния, меди, свинца, цинка, не говоря уже о черных металлах.

ГУБКА - ЭТО ЕЩЕ НЕ ВСЕ.

Мало получить титановую губку, надо еще превратить эту ломкую пористую массу в звонкий конструкционный металл, наделить его заранее заданными свойствами, с тем чтобы он удовлетворял требованиям конструкторов. Для этого титановую губку необходимо прежде всего переплавить.

На специальных гидравлических прессах титановую губку уплотняют. Получаемые секции сваривают в электроды требуемой длины, масса которых—многие сотни килограммов, иногда даже больше тонны. Их помещают в дуговые вакуумные электропечи, включают постоянный ток силой в несколько тысяч ампер. Вспыхивает яркая, как солнце, вольтова дуга. Титановый электрод медленно расплавляется, образуя слиток. Но это еще далеко не все. В результате первой переплавки слиток получается неплотным, в нем встречаются и не полностью проплавившиеся участки. Чтобы их устранить,а также чтобы слиток был более однородным по своему химическому составу, металл переплавляют повторно. Теперь уже электродами служат слитки, полученные при первой переплавке. Их сваривают по две-три штуки и вновь помещают в печь, на этот раз уже в более производительную. Плавка длится несколько часов и обходится очень дорого: ведь только электроэнергии на каждую тонну получаемого слитка расходуется до 5 тысяч киловатт-часов.

Если переплавляют губку без всяких добавок, то получают слитки технически чистого титана. Когда же в титановую губку добавляют перед плавкой другие элементы, получают различные титановые сплавы. В зависимости от того, какие именно элементы входят в их состав, титановые сплавы могут быть легче или тяжелее технического титана, дороже или дешевле его.

Чаще всего в титан добавляют алюминий —легкий и весьма дешевый металл, действующий на титан благотворно. Он делает титановые сплавы более жаропрочными, повышает их упругие характеристики, снижает массу. Прочностные и другие свойства титана существенно улучшают ванадий, олово, марганец, хром. Как уже говорилось, значительно увеличивают коррозионную стойкость нового промышленного металла добавки палладия, молибдена, тантала. Сплавы с добавками этих металлов предназначены для использования в самых разрушительных средах вместо чистого тантала, платины, золота.

Из технически чистого титана и титановых сплавов выпускают полуфабрикаты всех видов: листы, ленты, плиты, прессованные профили, прутки, проволоку, трубы, поковки и штамповки. Производство полуфабрикатов обычно ведется на специальных металлообрабатывающих заводах.

Прежде чем приступить к прокатке титановых слитков, их круглому сечению необходимо придать прямоугольную форму. Поэтому слитки в нагретом состоянии куют на молотах либо прессуют на вертикальных прессах. Нагревают титановые сплавы до температуры 900—1100°С, нелегированный металл—до более низкой температуры. Для ковки титана используют молоты с многотонной падающей частью, а для прессования — прессы мощностью в несколько тысяч тонн. Титан деформируется хуже, чем сталь, поэтому усилие, необходимое для его обработки, значительно больше.

Если при прокатке меди или латуни с одного прокатного стана получают в год несколько тысяч тонн листов, то титановых листов с такого же стана получают всего несколько сот тонн в год. Контраст разительный, не правда ли?

Как во время прокатки, так и после нее титановые листы неоднократно очищают от окалины. Это достигается травлением в тех кислотах, в которых металл нестоек. В конце процесса изготовления листы отделывают: правят, растягивают, обрезают под заданный размер. Специальной обработкой можно получить листы с зеркальной поверхностью. Именно такими полированными листами облицован обелиск в честь покорителей космоса, установленный в Москве неподалеку от ВДНХ.

Минимальная толщина получаемой титановой фольги составляет несколько микрон. Изготовляют фольгу на небольших ленточных прокатных станах. Как внешне, так и по своим механическим свойствам титановая фольга очень мало походит на алюминиевую, которой обертывают плитки шоколада. Впрочем, она и предназначена совсем для других целей.

Из технического титана и их Титановых сплавов изготовляют самый разнообразный ассортимент труб—тонкостенных и с очень толстыми стенками, узких, как стержень шариковой ручки, и таких широких, что внутри может свободно поместиться богатырского сложения человек. Длина труб может достигать нескольких десятков метров.

Так как прессование трубной заготовки связано с целым рядом трудностей, а сварной шов у титана так же прочен и стоек против коррозии, как и основная масса металла, то наряду с бесшовными выпускают также и сварные трубы. В качестве заготовки используют продольно свернутую титановую ленту, боковые стороны которой сваривают с помощью электрического тока. Скорость сварки достигает многих десятков метров в минуту. Для предохранения расплавленного титана от взаимодействия с воздухом металл защищают подачей (как снаружи, так и изнутри) инертного газа аргона.

Сварные трубы дешевле бесшовных, для их изготовления расходуется меньше титана. Они гораздо прочнее бесшовных или, как их называют иначе, цельнотянутых труб из других распространенных материалов. Так, например, сварные трубы из титана вдвое прочнее труб из нержавеющей стали, втрое прочнее медно-никелевых труб и в тринадцать раз прочнее графитовых. Что же касается стойкости титана против коррозии, то она не нуждается в дополнительной рекламе и несоизмерима со стойкостью традиционных материалов.

Проволока из титана производится волочением проволочной заготовки. Главная трудность при изготовлении проволоки заключается в том, что из-за склонности прикипать к другим металлам титан налипает на волочильный инструмент. Чтобы уменьшить налипание, поверхность титановых заготовок обрабатывают очень вязкими смазками. Титановую проволоку в основном используют как присадочный материал при сварке титановых конструкций.

Обточенные на токарном станке кованые слитки служат заготовками для прессования. На горизонтальных прессах из них получают профили и трубную заготовку. Перед прессованием слитки в зависимости от марки сплава нагревают до 700—1000°С на специальных нагревательных установках или в печах.

Если титан прессовать без особых мер предосторожности, то удается получить всего лишь несколько метров профилей или трубной заготовки: матрица пресса истирается, на нее налипает металл, что приводит к порче изделий. Приходится смазывать специальными составами детали пресса. В качестве смазки служат легкоплавкие сорта стекла, керамики, смеси минерального масла с графитом, слюдой, алюминиевыми чешуйками, особой глиной. Применяют также смазки на основе мыла. Все это уменьшает трение и схватывание.

ТРУДНОСТИ ОБРАБОТКИ.

Принято считать, что титан поддается механической обработке подобно нержавеющей стали. Это значит, что обрабатывать титан в 4—5 раз труднее, чем обычную сталь, но это все же не составляет неразрешимой проблемы. Основные помехи при обработке титана —это большая склонность его.

К налипанию и задиранию, низкая теплопроводность, а также то обстоятельство, что практически все металлы и огнеупоры растворяются в титане, в результате чего стружка представляет собой сплав титана и твердого материала режущего инструмента. При такой обработке быстро изнашивается резец.

Для уменьшения налипания и задирания и для отвода большого количества тепла, которое выделяется при резании, применяют охлаждающие жидкости. Точение заготовки обычно производят с помощью резцов из твердых сплавов, причем скорость обработки, как правило, ниже, чем при точении нержавеющей стали.

Если необходимо разрезать листы из титана, то эту операцию осуществляют на гильотинных ножницах. Сортовой прокат больших диаметров режут механическими пилами, применяя ножовочные полотна с крупным зубом. Менее толстые прутки разрезают на токарных станках.

При фрезеровании титан остается верным себе и налипает на зубья фрезы. Фрезы тоже изготовляют из твердых сплавов, а для охлаждения применяют смазки, отличающиеся большой вязкостью.

При сверлении титана основное внимание обращают на то, чтобы стружка не скапливалась в отводящих канавках, так как это быстро повреждает сверло. В качестве материала для сверления титана применяют быстрорежущую сталь.

При использовании титана как конструкционного материала титановые детали соединяют друг с другом и с деталями из иных металлов разными методами.

Основной метод — сварка. Самые первые попытки сваривать титан были неудачными, что объяснялось взаимодействием расплавленного металла с кислородом, азотом и водородом воздуха, ростом зерна при нагреве, изменениями в микроструктуре и другими факторами, приводившими к хрупкости шва. Однако все эти проблемы, ранее казавшиеся неразрешимыми, были решены в самые короткие сроки и в наши дни сварка титана—обычная промышленная технология.

Но, хотя проблемы и решены, сварка титана не стала простой и легкой. Главная ее трудность и заключается в необходимости постоянного и неукоснительного предохранения сварного шва от загрязнения примесями. Поэтому при сварке титана используют не только инертный газ высокой чистоты и специальные бескислородные флюсы, но и разнообразные защитные козырьки, прокладки, которые защищают остывающие участки шва и прилегающей к нему зоны, а также обратную его сторону.

Чтобы максимально снизить рост зерна и уменьшить другие вредные изменения в микроструктуре, сварку ведут с большой скоростью. Почти все виды сварки производят в обычных условиях, применяя специальные меры для защиты нагретого металла от соприкосновения с воздухом.

Но мировая практика знает и сварку в контролируемой атмосфере. Такая защита сварного шва обычно необходима при выполнении особо ответственных работ, когда требуется стопроцентная гарантия того, что сварной шов не будет загрязнен. Если свариваемые части невелики, сварку ведут в специальной камере, заполненной инертным газом. Сварщик хорошо видит все, что ему нужно, через специальное окно.

Когда же сваривают большие детали и узлы, контролируемую атмосферу создают в специальных вместительных герметичных помещениях, где сварщики работают в скафандрах. Разумеется, эти работы ведут сварщики самой высокой квалификации, но и обычную сварку титана должны проводить только специально обученные этому делу люди.

В тех случаях, когда сварка невозможна или попросту нецелесообразна, прибегают к пайке. Пайка титана осложняется тем, что он при высоких температурах химически активен и очень прочно связан с покрывающей его поверхность оксидной пленкой. Подавляющее большинство металлов непригодно для использования в качестве припоев при пайке титана, так как получаются хрупкие соединения. Только чистые серебро и алюминий подходят для этой цели.

Соединять титан с титаном, а также с другими металлами можно и механически—клепкой или при помощи болтов. При использовании титановых заклепок время клепки увеличивается почти вдвое по сравнению с применением высокопрочных алюминиевых деталей, а гайки и болты из нового промышленного металла непременно покрывают слоем серебра или синтетического материала тефлона, иначе при завинчивании гайки титан будет, как это ему неизменно присуще, налипать и резьбовое соединение не сможет выдержать больших напряжений.

Склонность к налипанию, обусловленная высоким коэффициентом трения, ~ очень серьезный недостаток титана. Это приводит к тому, что титановые сплавы быстро изнашиваются и их нельзя использовать для изготовления деталей, работающих в условиях трения скольжения. При скольжении по любому металлу титан налипает на его поверхность, и деталь вязнет, схваченная липким слоем титана.

Впрочем, говорить, что титановые сплавы нельзя применять при изготовлении трущихся деталей, неверно. Существует немало способов, упрочняющих поверхность титана и устраняющих склонность к налипанию. Один из них — азотирование.

Процесс заключается в том, что детали, нагретые до 850— 950 °С, выдерживают в чистом газообразном азоте более суток. На поверхности образуется золотисто-желтая пленка нитрида титана большой микротвердости. Износостойкость титановых деталей повышается во много раз и не уступает изделиям из специальной поверхностно упрочненной стали.Другой распространенный метод устранения склонности титана к задиранию — оксидирование. При этом в результате нагрева на поверхности деталей образуется оксидная пленка. При низкотемпературном оксидировании свободный доступ воздуха к металлу затруднен и оксидная пленка получается плотной, хорошо связанной с основной толщей титана.

Высокотемпературное оксидирование заключается в том, что в течение 5-6 часов детали выдерживают на воздухе нагретыми до 850 °С, а затем резко охлаждают в воде, чтобы удалить с поверхности рыхлую окалину. В результате оксидирования сопротивление износу возрастает в 15—100 раз.

ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ. ТИТАН В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ.

Глава 1. В БОРЬБЕ С КОРРОЗИЕЙ.

БИЧ МЕТАЛЛОВ.

В мире нет ничего вечного — эту нехитрую истину все знают давно. То, что кажется навеки незыблемым — горы, гранитные глыбы, целые материки, — со временем разрушаются, рассыпаются в пыль, уходят под воду, проваливаются в глубины. Исчезают целые культуры, народы и государства, уступая место другим, которых неизбежно постигает все та же участь. Но, разумеется, происходит все это не на наших глазах и даже не в течение многих человеческих поколений. Происходит все это медленно, постепенно.

В то же время ничто не разрушается так быстро, как известные нам металлы — чугун, железо, сталь. Разрушает их коррозия — неумолимый бич любых твердых тел, а металлов в особенности. Коррозия неизбежно возникает при наличии электрохимических и просто химических процессов на поверхности вещества как следствие его взаимодействия с окружающей средой. И ее результаты сказываются самым печальным образом.

По всей поверхности земного шара разбросаны металлургические заводы, круглые сутки дымят домны, мартены, конвертеры, выплавляя главнейший металл современной цивилизации — железо в различных его модификациях. Мировая выплавка стали уже приближается к миллиарду тонн в год. Но, условно говоря, каждый десятый завод работает впустую — его продукцию поглощает вечно голодное чудовище — коррозия, ржавчина.

Да, именно так и обстоит дело, ведь ежегодно каждая десятая тонна выплавленного металла уничтожается коррозией. Но это также значит, что из всего произведенного сейчас железа через десять лет ничего не останется . . . Лишь только благодаря тому, что металлургические заводы продолжают выплавлять металл, мы постоянно располагаем им.

Но мало того, что металлы разрушаются просто под открытым небом, в воде или под землей. Современная технология, основанная на использовании крайне агрессивных веществ, высоких температур и давлений, еще более ускоряет этот процесс, разрушая не только черные, но и более дорогие цветные металлы.

Прямые убытки от коррозии достигают астрономических величин. Только в США они ежегодно составляют 5,5 миллиарда долларов. Но гораздо больший ущерб наносят косвенные потери, возникающие вследствие коррозионного повреждения оборудования. К ним относятся простои в связи с ремонтом, потери продукта в результате утечки, снижение производительности в результате засорения аппаратуры и понижения интенсивности процессов.

Кроме того, загрязняются готовые продукты и полупродукты, а это резко ухудшает их качество. Иногда конструкторы намеренно завышают при проектировании сечение деталей, толщину стенок и т.д., предусматривая ненасытный "аппетит” коррозии. Поэтому при прокладке трубопровода, например, получается так, что в землю зарывают ”лишние” тысячи тонн стали, предназначенные ”на съедение” коррозии. Точно таким же образом поступают и при проектировании оборудования, применяющегося в химической индустрии.

Существует множество видов и типов коррозии металлов — в зависимости от того, с какими именно веществами контактирует металл и каким образом распределяются коррозионные поражения на его поверхности. Коррозия бывает как равномерной, так и местной — гораздо более опасной, когда очаги поражения занимают небольшую площадь, но проникают вглубь, серьезно разрушая изделие. Местная коррозия бывает язвенной, точечной, межкристаллитной.

Нетрудно догадаться, что язвенной и точечной коррозия называется в том случае, когда поверхность металла обезображена язвами и точками — будто бы материал Переболел” оспой. При межкристаллитной коррозии нарушаются границы между кристаллами металла. Процесс этот глубинный и потому очень коварный, так как снаружи почти незаметно, что материал пришел в негодность, утратил прочность.

Разрушаются все металлы без исключения, одни — быстро, другие — медленно. Титан относится к числу последних, и эта его особенность чрезвычайно важна для современной техники. Следует подчеркнуть, что даже в тех случаях, когда титан поддается коррозии, она, как правило, всегда равномерно ”съедает” его, тогда как железо, сталь, нержавеющие и алюминиевые сплавы часто подвергаются местным и межкристаллитным разрушениям. Титан же межкристаллитной коррозии практически не подвергается никогда.

Если обычный металл изогнуть, изменить его первоначальную форму, он будет поддаваться коррозии в значительно большей степени, чем в спокойном состоянии. ”Коррозия под напряжением” — так называется этот вид более быстрого разрушения. Что касается титана, то он очень успешно сопротивляется и такому врагу. Вот почему титану находится много работы на заводах и фабриках где, заслоняя собой менее стойкие материалы, он упорно сражается с ”бичом металлов” — коррозией.

В ЦЕХАХ ХИМИЧЕСКИХ ЗАВОДОВ.

Титановые сплавы стойки в сотнях агрессивных сред химической нефтехимической промышленности и успешно соперничают со сплавами на основе никеля, высоколегированными и нержавеющими сталями, с редкими и драгоценными металлами — ниобием, танталом, платиной, заменяют медь, свинец, олово, пластмассы. Новый конструкционный материал фактически уже вытеснил стекло из охладителей хлора, графит из охладителей рассола, чугун из перегонных кубов в производстве кальцинированной соды.

В ряде производств титан — единственный стойкий против коррозии материал. Он стоек во влажном хлоре, в водных соединениях хлора, в агрессивных средах производства ацетальдегида и гербицидов — там, где другие распространенные.

Материалы терпят полнейшее фиаско. В хлорной промышленности и нашел титан наиболее широкое применение.

Оборудование из титана используется при получении хлора диафрагменным методом в ваннах с ртутным катодом. Применяют титановые фильтры и подогреватели, коллекторы, емкости, реакторы, теплообменники. Титановые теплообменники позволяют намного упростить схему охлаждения и осушки газообразного хлора, снизить его потери и уменьшить загрязнение сточных вод. Благодаря использованию четырех титановых теплообменников на одном из хлорных заводов удалось избавиться от 30 ранее применявшихся аппаратов из углеродистого материала, гораздо менее стойкого. В результате на этом заводе ежегодно экономится 280 тысяч рублей.

В результате широкого научно обоснованного внедрения титановых сплавов в производство технологического оборудования Калушского производственного объединения ”Хлор- винил” (Ивано-Франковская область) только в период с 1968 по 1975 год получена экономия более 30 миллионов рублей. Наиболее отличившиеся участники этой работы удостоены в 1976 году званий лауреатов Государственной премии УССР в области науки и техники.

На химических предприятиях широко используется так называемая запорная и регулирующая арматура: различные вентили, краны, задвижки. Простейший вид арматуры — всем нам прекрасно известный водопроводный кран, которым мы регулируем движение воды, то открывая ей дорогу, то запирая ее в трубе. Химики же регулируют движение промышленных жидкостей и газов, и краны, применяемые ими, нередко достигают огромных размеров, так как и трубопроводы тоже достаточно велики.

Арматура из титана работает в 5—10 раз дольше, чем обычная. Благодаря ее применению удается автоматизировать технологические процессы, упростить монтаж и разборку, поскольку она намного компактнее и легче. Большое распространение получает литая арматура: она гораздо дешевле и, кроме того, обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, чем аппаратура, изготовленная из отштампованных, а затем сваренных деталей. Так же эффективно и целесообразно использование трубопроводов из титана.

Трубы из титана превосходно зарекомендовали себя в качестве материала для теплообменных аппаратов. Змеевик из титана в некоторых средах служит 10 лет и более, свинцовый же — только 10 месяцев. Кроме того, титановый змеевик почти в 20 раз легче и занимает в помещении в 10 разменьшую площадь. Следовательно, намного упрощаются установка и обслуживание. Что же касается его стоимости, то она ненамного превышает стоимость свинцового змеевика. Титановый стоит 2,5 тысячи рублей, свинцовый—1,5 тысячи при длительности службы, в десять раз меньшей.

На поверхности титановых труб при смачивании их жидкостями образуется не сплошная пленка влаги, как у других металлов, а только отдельные капли, которые легко удаляются.

Все это облегчает очистку теплообменников от осадка, так как трубы не зарастают отложениями солей. Отсутствие инкрустации солями повышает теплоотдачу, а тем самым — и производительность аппаратов. Высокий коэффициент теплопередачи сохраняется на протяжении всего срока их эксплуатации.

Чем тоньше стенки теплообменника, тем лучше, так как это значительно усиливает передачу тепла. В то же время тонкие стенки коррозия разрушает скорее. Из титана же можно изготовлять тонкостенные теплообменники, не опасаясь что они в скором времени выйдут из строя. Поэтому по сравнению с обычными материалами толщина стенок труб титанового теплообменника значительно меньше и при обычном режиме работы не превышает одного миллиметра. Если же теплообменник предназначен для работы при высоких температурах, стенки делают чуть потолще — 1,5 миллиметра.

Новый промышленный металл хорошо зарекомендовал себя в качестве материала для изготовления оборудования производства солей, кислот и удобрений, продуктов органического синтеза.

Внедрение титановых реакторов взамен стальных при производстве капролактама на Руставском химическом комбинате намного улучшило технологические показатели, увеличило выход продуктов, снизило расход сырья. На том же химкомбинате введена в действие реакционная колонна из титана, производительность которой в полтора раза выше ранее применявшейся стальной. Так как титан — металл коррозионностойкий, то колонна будет служить безотказно, в результате чего эксплуатационные расходы будут сведены к минимуму, а ежегодная экономия составит более 100 тысяч рублей. Когда же будет внедрено все запланированное оборудование из титана, Руставский комбинат сможет экономить более миллиона рублей в год.

Большое развитие в наши дни получило производство пластмасс, синтетических волокон и спиртов, каучука и других полимерных материалов. Их получают, используя концентрированные растворы кислот, соединения хлора. Процессы идут при высоких температурах, что еще больше усиливает коррозию технологического оборудования. Вот здесь и оказываются незаменимыми титановые сплавы с повышенной коррозионной стойкостью, легированные палладием, молибденом, танталом.

Заводы химического машиностроения в Сумах, Бердичеве, Свердловске, Пензе, Запорожье, в Узбекистане и Подмосковье освоили серийный выпуск титановых аппаратов, насосов, запорной арматуры. В СССР производит химическую аппаратуру из титана Сумское машиностроительное объединение имени Фрунзе, награжденное орденами Ленина и Октябрьской Революции, а также орденом Народной Республики Болгарии ”3а социалистический труд”.

Аппаратуру из титана завод начал изготовлять в 1960 году. За время, прошедшее с той поры, специалисты предприятия накопили большой опыт работы с новым конструкционным материалом, освоили выпуск самой сложной и ответственной аппаратуры. Объединение имени Фрунзе — предприятие высокой культуры, передовой технологии. Участки сварки титанового оборудования оснащены по самому последнему слову техники, обслуживающий персонал работает в белых халатах, в помещениях поддерживается образцовая чистота.

Отечественной промышленностью освоено изготовление титановых емкостей, имеющих объемы от нескольких кубических метров до 160, гидролизных аппаратов и реакторов объемом до 50 кубических метров, аппаратов с перемешивающими устройствами, теплообменников, автоматических центрифуг, различных фильтров, технологических трубопроводов и множества других видов аппаратуры, оборудования, машин. Выпуск их с каждым годом все возрастает. Но при изготовлении конструкций и деталей из титана 60—80 процентов металла идет в стружку. Сэкономить дорогостоящий металл позволит новая технология, разработанная в Запорожском машиностроительном институте. Ученые объединили прогрессивные методы порошковой металлургии и обработки металлов давлением: прессование, спекание, горячую штамповку. Новый способ позволяет повысить коэффициент использования металла до 80—90 процентов.

СОЮЗНИК МЕТАЛЛУРГОВ.

Когда слышишь или читаешь слова "металлургия”, Металлург”, представляешь себе пышущие жаром печи, раскаленный поток металла, видишь ревущее пламя. Но металлургия бывает и совершенно другой.

Нередко руды обрабатывают растворами кислот, в результате чего металл в виде солей переходит из сырья в раствор. Нерастворимый осадок состоит из пустой породы и при фильтрации легко отделяется от растворенных солей, из которых затем уже осаждают металл. Водные растворы соединений металлов можно подвергать электролизу и тогда на катоде наращивается слой требуемого металла. При этих и некоторых других процессах широко пользуются также методами отстаивания, выпаривания, экстракции, ионного обмена, при которых разбавленные кислоты становятся более концентрированными и интенсивно действуют на материалы технологического оборудования.

Металлургические процессы, основанные на использовании жидкостей, называются гидрометаллургическими — от греческого слова, обозначающего воду. Гораздо более привычные для нас методы, при которых требуются высокие температуры, нагрев, пламя, называют пирометаллургическими — от другого греческого слова, обозначающего огонь. Так вот, при проведении целого ряда гидрометаллургических процессов крайне необходим такой коррозионностойкий, надежный и долговечный металл, как титан.

Поэтому его и используют на многих переделах производства цветных металлов. На одних — больше, на других — меньше, но уровень его применения постоянно возрастает, и ныне цветная металлургия — крупнейший потребитель титана среди всех отраслей народного хозяйства страны.

Первыми стали широко применять титановое оборудование предприятия никель-кобальтовой промышленности, что позволило экономить многие миллионы рублей, давать высококачественную продукцию. Благодаря разработке и освоению целого комплекса надежных технологических аппаратов из титана на комбинате ”Се- вероникель” впервые в практике производства цветных металлов удалось осуществить комплексную автоматизацию технологических процессов.

Никель-кобальтовые предприятия используют фильтровальное оборудование, экстракторы, выпарные аппараты, вентиляторы, автоклавы, теплообменники, хлорные эжекторы — всего более 200 наименований изделий, изготовляемых из титана. Это дает ощутимый технико-экономический эффект.

Титановые матрицы для осаждения никеля в 3 раза легче и в 15 раз долговечнее стальных. Благодаря их использованию в 10 раз снизился процент брака. В результате замены насосов из кислотоупорного литья титановыми ежегодная экономия на комбинате ”Североникель” составляет более 700 тысяч рублей.

Используемые при производстве титана и магния титановые насосы дают условно годовой эффект по каждому агрегату от 900 до 1800 рублей. Срок их службы при перекачке растворов хлористых солей, натрия, калия, магния, слабой соляной кислоты в 15—20 раз выше, чем чугунных или изготовленных из кислотоупорных сталей. Потери жидкости снижаются в 2,5 раза.

Наиболее эффективным оказалось оборудование из нового промышленного металла на переделах хлорирования титановых шлаков и при улавливании пыли и газов. Под воздействием ионов хлора как углеродистая, так и нержавеющая сталь интенсивно разрушается, подвергаясь язвенной и точечной коррозии. Титановые сплавы несравненно более стойки, и оборудование, изготовленное из них, служит гораздо дольше. Титановые емкости в цехах хлорирования работают по 3—4 года, тогда как стальные выходят из строя уже через 2 месяца.

При отсасывании отходящих газов титано-магниевого производства титановые вентиляторы эксплуатируются 5 лет, стальные — не более 1—2 месяцев, срок службы газоходов из титана в 20—30 раз превышает срок службы стальных!

В 1969 году на Березниковском титано-магниевом комбинате была пущена 120-метровая вытяжная труба. Труба как труба — для выброса производственных газов, — внешне ничего особенного собой не представляет. И мало ли заводских труб! Но березниковская была особенной: впервые в мировой практике она была изготовлена из титана. Ныне она уже не единственная в мире: точно такая же труба возведена и на Запорожском титано-магниевом комбинате. Планируется построить еще несколько титановых труб на различных металлургических заводах страны.

Успешно используют титан в титановой промышленности и за рубежом. Американская фирма ТМКА сообщает, что титановый агрегат для выщелачивания магния и хлористого магния из титановой губки (в США губку очищают не нагреванием в вакууме, а промыванием "царской водкой”) заменил более десятка прежних малопроизводительных аппаратов и приносит ежегодный доход в 370 тысяч долларов.

При получении магниевых сплавов используют стойкие в расплавленном магнии титановые мешалки и тигли. Из титана изготовляют также лопасти перемешивающих устройств на известковых газоочистках.

Титан оказался наиболее подходящим материалом для изготовления матриц, применяемых при электролитическом осаждении меди. Внедрение титановых матриц на ряде предприятий страны намного облегчило труд рабочих-сдирщиков, на 30 процентов повысилась производительность труда. Срок службы матриц увеличился в 3 раза. С титанового барабан- катода снимают гораздо более высококачественную медную фольгу, тогда как при использовании катода из нержавеющей стали процент брака велик, фольга получается щерохо- ватой.

Весьма эффективными являются титановые приспособления для очистки и подачи отходящих газов агломашин, плавильных и обжиговых печей в производстве свинца и цинка, а также детали реакторов, змеевиков и многого другого оборудования из нового промышленного металла. Титан находит применение при производстве вольфрама и молибдена, сурьмы, ртути, циркония, редкоземельных и драгоценных металлов.

При обработке цветных металлов используют титановые травильные ванны, детали очистных сооружений, установок переработки раствора, емкости, что намного повышает срок службы оборудования. На одном из уральских заводов из титана изготовляют клещи, которыми захватывают горячие прокатываемые и прессуемые металлические заготовки. Масса ручного инструмента уменьшилась вдвое.

Вспомогательное оборудование из титана используют на некоторых предприятиях черной металлургии нашей страны, Благодаря высокой коррозионной стойкости в сернистых газах новый конструкционный материал обеспечивает надежную работу электрофильтров, применяемых в коксохимическом и ферросплавном производствах, повышает долговечность газоочистных сооружений доменных, мартеновских, конвертерных и агломерационных цехов.

Более 15 лет работают на Запорожском коксохимическом заводе титановые нутч-фильтры, растворители, кристаллизаторы, трубопроводы и другое оборудование участка роданистого натрия. Кроме того, благодаря их применению удалось избежать в конечном продукте примесей железа, тяжелых металлов, которые по техническим условиям недопустимы и от которых прежде невозможно было избавиться.

Испытания, проведенные на заводе ”Запорожсталь” Институтом титана, показали, что, если использовать для слива отработанных травильных растворов трубопроводы из нового металла, их срок службы будет измеряться десятками лет. Ныне существующие звенья, изготовленные из углеродистой стали и защищенные резиной, служат полтора, максимум три месяца. Вот потому предприятие приобрело полкилометра титановых труб для замены ими стальных.

Очень перспективно облицовывать титаном ванны, используемые на многих металлургических, сталепроволочно-канатных, метизных заводах для травления заготовок в кислотах с целью удаления окалины с поверхности. Поскольку травильные растворы загрязнены частицами железа и его соединений, а также содержат специальные солевые добавки (что способствует замедлению коррозии), стойкость титана в них намного выше, чем в обычных растворах кислот — без добавок и примесей, благодаря чему титановые травильные ванны служат десятки лет, тогда как обычные выходят из строя гораздо раньше.

ЧТОБ СТАЛО БОЛЬШЕ БУМАГИ.

Наша страна — самая читающая в мире. Миллионными тиражами печатаются газеты и журналы, больше, чем в любом другом государстве, издается книг. И тем не менее далеко не всегда удается приобрести нужную литературу, выписать то или иное издание. . . Одна из основных причин такого положения — недостаток бумаги.

Чтобы обеспечить страну бумагой, делается многое: строятся новые целлюлозно-бумажные комбинаты и лесопромышленные комплексы, переоборудуются существующие. Предприятия оснащаются новым высокопроизводительным оборудованием. Однако при производстве бумаги очень остро стоит проблема коррозионной защиты,и от ее решения в немалой степени зависит успешное развитие отрасли.

Для получения целлюлозы используют чрезвычайно агрессивные вещества — в технологических процессах варки целлюлозы, получения варочной кислоты, при отбеливании целлюлозной массы. Особенно агрессивен диоксид хлора, которым отбеливают целлюлозу. Отказьюаться от диоксида хлора нецелесообразно: благодаря ему удается намного улучшить качество продукции, интенсифицировать производственные процессы. Метод отбеливания целлюлозы диоксидом хлора получает поэтому все большее распространение, но стремительное разрушение оборудования при его применении приносит значительные убытки.

Фирма ”Крусибл стал корпорейшн оф Америка” приводит данные о том, что простой одной отбельной линии в течение только одних суток причиняет ущерб в 10 тысяч долларов.

Вот почему химики и бумажники обратили самое серьезное внимание на стойкость титана в соединениях хлора. Именно как материал, устойчивый в диоксиде хлора, титан был применен впервые в невоенных отраслях промышленности. Так, в 1954 году американцы использовали его для облицовки миксера, содержащего это соединение. Опыт оказался удачным и с тех пор титан официально признан наилучшим материалом для работы в среде диоксида хлора. Это и многое другое сделало новый промышленный металл ценным материалом для целлюлозно-бумажной промышленности.

Титановое оборудование широко внедряется в отечественную целлюлозно-бумажную промышленность. Оно с успехом используется на Братском и Сыктывкарском лесопромышленных комплексах. Советском и Котласском целлюлозно-бумажных комбинатах, Байкальском целлюлозном заводе и некоторых других предприятиях.

Институтом ЦНИИ- буммаш спроектированы отбельные установки для массового применения на предприятиях отрасли. Они состоят из отбельных башен, баков, смесителей, мерников, трубопроводов и запорной арматуры. Все оборудование делается из титана. Заводы уже приступили к выпуску таких установок.

Титан оказывается незаменимым для бумажников, выручая их, давая значительный технико-экономический эффект.

В цехе белильных растворов Сыктывкарского лесопромышленного комплекса стальные трубопроводы требовали полной замены через каждую неделю. Срок службы титановых трубопроводов настолько превосходит срок службы стальных, что при этом не только окупается стоимость более дорогого материала, но и ежегодно предприятие получает 120 тысяч рублей прибыли! Каждая титановая воздуходувка, работающая в том же цехе взамен агрегатов из нержавеющей стали, выходивших из строя каждые 2 недели, экономит предприятию около двух с половиной тысяч рублей.

Титан применяют в контрольно-измерительной и регулирующей аппаратуре трех линий производства сульфатной целлюлозы, где технологические процессы полностью автоматизированы. Металл используют для изготовления чехлов, защищающих датчики приборов, которые работают в агрессивных средах. Винипласт защищал их на протяжении всего лишь 15 дней, титан служит около 7 лет и благодаря столь продолжительному сроку работы дает существенную экономию. Семь титановых чехлов, которыми прикрывают датчики приборов на братском ЛПК, дают предприятию 20 тысяч рублей годовой экономии. Всего же от применения титана лесопромышленный комплекс ежегодно получает более 150 тысяч рублей прибыли.

Коррозионностойкий металл оказывается весьма кстати также в гидролизной и лесохимической промышленности, где он хорошо зарекомендовал себя в качестве материала для изготовления аппаратуры в производстве уксусной кислоты, этилацетата и других очень едких веществ.

Зарубежные фирмы применяют титановые теплообменники, вентиляторы, насосы, запорную арматуру. В Швеции пластинчатые титановые теплообменники работают в растворах хлоридов, хлоратов, а также в жидкостях, содержащих активный хлор. В США аппаратуру из титана внедряют в цехах варки целлюлозы, где техника, изготовления из нержавеющей стали полностью выходит из строя через два года работы и ее необходимо заменять. Замена же только одного промывного аппарата обходится в 80 тысяч долларов. Титановое оборудование используют в целлюлозно-бумажной промышленности Японии, Англии, ЧССР, Финляндии.

Разработчики аппаратуры целлюлозно-бумажного производства утверждают, что опыт эксплуатации титанового оборудования показал неоспоримое преимущество этого металла перед другими конструкционными и коррозионностойкими материалами. Остается только добавить, что с каждым годом, даже месяцем, все больше титана применяется для производства бумаги и в том, что ее дефицит будет все же преодолен, что страна получит в избытке не только материал для печатания книг и газет, но картон, бумагу для технических целей и для расфасовки пищевых продуктов, большое количество бумажно-беловых товаров, немалая заслуга будет принадлежать и металлу, носящему имя титан.

САМАЯ ЭФФЕКТИВНАЯ ОБЛАСТЬ.

Редкое предприятие, выпускающее автомобили, различные приборы, электротехническое оборудование и другие виды продукции, не имеют гальванических цехов или участков. Гальванический метод — наиболее распространенный способ нанесения металлических покрытий на изделия. Покрытия наносят для защиты от коррозии, для повышения твердости, долговечности, электропроводности поверхности, улучшения ее внешнего вида.

Основные материалы, которые используют для оборудования гальванотехники, — обычная и нержавеющая сталь. Обычную сталь для защиты от коррозии покрывают слоем винипласта, полиэтилена и других пластических масс, отличающихся неплохой коррозионной стойкостью.

Но при повышенной температуре листы, к примеру, винипласта вследствие значительного теплового расширения растрескиваются, целостность покрытия нарушается и сталь, из которой изготовлена гальваническая ванна, сделавшись беззащитной, начинает разрушаться в агрессивном растворе, тем самым загрязняя его. А ведь даже совсем незначительное количество загрязнений в электролитическом растворе ухудшает качество гальванических покрытий. Кроме того, начавшееся разрушение ванны неизбежно приводит к тому, что она выходит из строя.

Такие ванны обычно используют для никелирования, цинкования, меднения и ряда других процессов. Для травления стальных изделий применяют оборудование, покрытое резиной или свинцом. Но и эта защита также оказывается неэффективной. Резина быстро стареет, на ней образуются трещины, свинец не обладает достаточной механической прочностью^ легко повреждается. В обоих случаях целостность защитного покрытия опять-таки нарушается.

Проблема защиты гальванического оборудования от коррозии важна и злободневна. Она решается в том случае, когда для изготовления оборудования широко используются титановые сплавы, устойчивые почти во всех электролитических растворах, за исключением содержащих фтористые кислоты или ионы фтора. Стойкость титана в растворах с повышенным содержанием соляной и серной кислот увеличивается путем небольших добавок в электролит азотной кислоты или ее солей.

Титановое оборудование эффективно как в подготовительных гальванических процессах, когда изделия подвергают электрополированию, обезжириванию, травлению, так и непосредственно в процессах нанесения тонких слоев хрома, никеля, меди, цинка, кадмия.

Когда ванны для хромирования изготовляют не из стали, защищенной свинцом или винипластом, а из титана, они служат в 5—7 раз дольше. Благодаря высокой стойкости титана против коррозии толщину стенок уменьшают вдвое, что делает стоимость ванны из нового промышленного металла примерно равной стоимости с винипластовым защитным покрытием. Но поскольку срок службы титановой ванны гораздо продолжительнее, это приносит ощутимый экономический эффект.

Так, например, внедрение трех титановых ванн на Мелитопольском моторостроительном заводе дало предприятию несколько тысяч рублей годовой экономии. Аналогичные ванны с успехом эксплуатируются и на двух запорожских заводах — на автомобильном заводе "Коммунар” и предприятии, выпускающем измерительные приборы.

Для нанесения покрытий используются так называемые растворимые аноды, состоящие из металла, который после электрохимического перемещения в электролите осаждается на изделии. При обычном завершении часть анодов не используется, а попадает в отходы. Из титана изготовляют анодные корзины, куда и помещают растворимые аноды. Находясь в погружаемой в электролит корзине, аноды полностью растворяются, тогда как сама корзина отличается завидной стойкостью и практически не загрязняет электролитический раствор.

Анодные корзины из титана используют при блестящем никелировании, меднении, латунировании, что повышает производительность установок, увеличивает эффективную площадь анода. При добавлении металла в корзины раствор из ванны не выпускают.

Годовой экономический эффект от внедрения титановых корзин в цехе металлопокрытий запорожского автомобильного завода ”Коммунар” превышает 22 тысячи рублей. Использование таких же корзин на Мелитопольском моторном заводе при никелировании деталей силовых агрегатов дает около 20 тысяч рублей годовой экономии на каждую тонну применяемого титана. Сократились также трудовые затраты на обслуживание анодов, прекращено использование медных крюков для завешивания анодных материалов.

Подобные анодные контейнеры широко используют и за рубежом. В ФРГ их применяют в процессах никелирования и меднения. В США они внедрены на автомобильных заводах Форда, что снизило эксплуатационные расходы по уходу за анодами и увеличило продолжительность работы установок на 4 часа в сутки.

При анодировании деталей из алюминиевых сплавов и в некоторых других процессах применяют титановые рамы и подвески. Обычные рамы, изготовленные из алюминия, служат месяц, максимум полтора. Титановые рамы эксплуатируются долгие годы.

Подвески из титана используют в нашей стране и за рубежом — на предприятиях Англии, ФРГ. При электрополировании алюминия требуется подвесок, изготовленных из этого же металла, более 800 штук в год, тогда как титановых — всего 15.

Чтобы получить высококачественный слой металлического покрытия, необходимо поддерживать определенную температуру электролитического раствора, для чего и используют в гальванотехнике нагреватели и змеевики. Но обычные змеевики и нагреватели, сделанные из нержавеющей стали, свинца или из углеродистой стали, покрытой свинцом, выходят из строя через несколько месяцев. Применение же титана для теплообменной аппаратуры намного увеличивает срок ее службы.

Расчеты экономической эффективности, проведенные в Институте титана, показали, что гальванотехника — область, где внедрение нового коррозионностойкого металла наиболее выгодно, наиболее целесообразно. При использовании тонны титана для изготовления приспособлений и оборудования гальванотехники ежегодно экономится до 35—40 тысяч рублей, иначе говоря, каждый килограмм титана сберегает государству 35—40 рублей.

Глава 2. ВОЗМОЖНОСТИ НЕИСЧЕРПАЕМЫ.

В ИНДУСТРИИ ПИТАНИЯ.

В нашей стране большое внимание уделяется увеличению выпуска товаров народного потребления и улучшению их качества. Важная отрасль нашего народного хозяйства — пищевая промышленность, на долю которой приходится более половины всех потребительских товаров.

Пищевая индустрия — разветвленное и многоотраслевое хозяйство, в котором производится пятая часть общего объема всей промышленной продукции страны. Пищевая индустрия — промышленность, с конечными продуктами которой мы все хорошо знакомы. Без многих из них не можем обойтись и дня.

Немалая часть веществ, входящих в состав пищевых продуктов, вызывает коррозию технологического оборудования, которое, как правило, изготовляется из нержавеющей стали, алюминия, латуни, бронзы, а нередко и из обычной углеродистой стали. Кроме того, в производственных помещениях пищевых предприятий пар, высокая влажность, резкие колебания температуры — почти непременные спутники технологических процессов, что в еще большей степени способствует разрушению оборудования.

Разрушение алюминиевых сплавов, оловянных покрытий при производстве кисломолочных продуктов, плавленных сыров, сгущенной сыворотки — обычное явление, причем алюминий повреждается "оспинами” точечной и язвенной коррозии. Органические кислоты и солевые растворы вызывают еще более разрушительную коррозию алюминия и обычной стали и заметно разрушают нержавеющую сталь и сплавы на никелевой основе.

Типичные среды консервного производства — растворы, содержащие кислоту с поваренной солью. Более трехсот марок сплавов оказались нестойкими. Коррозия еще больше усиливалась, когда в растворы добавляли свежий лук и чеснок.

Коррозия всегда вредна, но в пищевых средах она вредна вдвойне, так как разрушающиеся материалы загрязняют продукты питания, понижая их качество или делая совершенно непригодными для употребления.

Но, кроме агрессивных веществ, находящихся непосредственно в пищевых продуктах и приправах к ним, на оборудование этого производства постоянно действуют различные вспомогательные вещества: моющие растворы и препараты, содержащие щелочи и кислоты, солевые растворы, растворы аммиака. Технологическое оборудование чистят и моют изо дня в день, часто даже несколько раз в течение каждой смены. Это еще в большей степени усиливает коррозионное разрушение.

Если бы металлы можно было создавать по заказу, то разработчики оборудования для пищевой промышленности дали бы заявку на материал, который, во-первых, должен обладать хорошей коррозионной стойкостью, во-вторых, не быть токсичным (то есть ядовитым, вредным для здоровья), в-третьих, не влиять на вкус, запах и цвет продуктов даже при продолжительном контакте, в-четвертых, быть прочным, надежным, сравнительно легко обрабатываться и, наконец, в-пятых, быть недорогим, доступным в достаточном количестве.

Такого материала пока нет. Нет вещества, которое бы полностью удовлетворяло перечисленным требованиям. Но ближе всех к такому идеальному материалу стоит титан. В самом деле: титановые сплавы соответствуют почти всем требованиям, предъявленным к идеальному материалу, за исключением стоимости. Но и при нынешней стоимости титан все равно целесообразно использовать в пищевой индустрии, так как здесь он в полной мере демонстрирует свои замечательные свойства, которые не только окупают все затраты, но и приносят немалую прибыль.

Титан стоек в органических кислотах, в рассолах, маринадах, острых соусах, в пищевых соках, спиртах, в различных приправах. Исследования коррозионной стойкости титановых сплавов показали, что новый промышленный материал с успехом может применяться в консервном, чайном, эфиромасличном, сахарном, мясо-молочном, кондитерском, рыбоперерабатывающем, хлебопекарном, пивоваренном, солевом и в других производствах.

На одном из отечественных цитрусовых комбинатов испытывали образцы титана на всех стадиях консервирования фруктов. После года работы на образцах не было ни малейших следов каких-либо коррозионных изменений, а фруктовые консервы за это время нисколько не утратили своих качеств. Это подтвердилось при дегустации и химическом анализе.

Вот другой пример. На консервном комбинате проводили годичное опробование титановых сплавов на стойкость в проточном десятипроцентном растворе поваренной соли. Испытания показали полное отсутствие коррозии.

Хорошие результаты испытаний нового материала способствуют успешному внедрению титана в пищевой индустрии.

Применение в пивоваренной промышленности моющих головок из титана для механизированной мойки резервуаров позволило на 15 процентов повысить производительность труда при выполнении этой тяжелой операции, которую ранее к тому же выполняли вручную, и дало свыше 200 тысяч рублей прибыли. Начато изготовление из титана головок автоматов, разливающих молоко в бутылки, дисков для резки шоколада и некоторых других приспособлений.

Систематические работы по определению возможности и экономической целесообразности применения титана в различных областях пищевой индустрии в виде определенного оборудования на протяжении ряда лет ведутся во Всесоюзном научно-исследовательском и экспериментальном институте продовольственного машиностроения, в Институте металлургии АН Грузинской ССР, Институте титана, Молдавском научно-исследовательском институте пищевой промышленности, во многих специальных конструкторских бюро.

В пищевой промышленности США титан применяют в оборудовании для приготовления рассолов, томатных паст, маринадов и других полупродуктов консервного производства. В Японии титановое оборудование широко используют в молочной промышленности, в производстве глютаминовой соли в виде колонн, теплообменников, резервуаров.

Как уже отмечалось ранее, титан обладает характерной особенностью, заключающейся в том, что к его поверхности почти не прилипают инородные вещества — металл как бы отталкивает их. Поэтому на стенках титановой аппаратуры едва-едва образуется накипь, с них легко и быстро счищаются пищевые продукты, что существенно экономит время и трудовые затраты.

Высокая коррозионная стойкость нового промышленного металла позволяет, изменяя конструкцию аппаратов, повышать общую поверхность теплообмена путем уменьшения толщины стенок труб. Так, например, на одном из отечественных производственных комбинатов в цехе винно-каменной кислоты эксплуатация экспериментального вакуум-аппарата из титана показала, что в новом аппарате процесс выпаривания ускоряется в три раза. Благодаря отсутствию накипи втрое повышается теплопередача. В обычных же аппаратах, изготовленных из нержавеющей стали, уже через несколько дней образуется накипь, которую удалить нелегко и которая в несколько раз снижает теплопередачу. Кроме того, качество продукции, полученной на экспериментальной установке, гораздо выше обычного. Экономический эффект от внедрения титанового вакуум-аппарата составляет 50 тысяч рублей в год.

В пищевом машиностроении нашли применение и высокие механические свойства нового материала. Титан позволяет увеличить производительность и долговечность расфасовочно-упаковочных автоматов, закаточных и разливочно-укупорочных машин благодаря своей высокой удельной прочности, которая необходима всем деталям, совершающим сложные движения с большой скоростью.

ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ ЛЮДЕЙ.

Успехи медицины мы связываем не только с возрастающей квалификацией персонала, выпуском новых препаратов, но и с новейшей техникой, развитие которой в немалой степени определяется новыми перспективными материалами. Вполне понятно, что такой металл, как титан, не мог не обратить на себя внимание клиницистов, исследователей, разработчиков медицинской аппаратуры и инструментов. Особенно важной оказалась биологическая инертность титана.

Врачи-травматологи и ортопеды широко применяют в своей практике металлические конструкции самого различного назначения — для соединения раздробленных костей при переломах, для скелетного вытяжения, для замены частей организма. Как правило, эти конструкции изготовлены из нержавеющей стали. Сталь прочна и вроде бы надежна. Но у некоторых больных конструкции из нержавеющей стали вызывают различные осложнения: воспалительные процессы с нагноениями, боль. Кроме того, спустя непродолжительное время стальные стержни, пластины разрушаются под действием коррозии. И врачам не остается ничего другого, как извлекать поврежденную конструкцию, лишний раз травмируя больного.

Пытались использовать для этих целей тантал — металл с прекрасной коррозионной стойкостью. Но он очень тяжелый (тяжелее стали в два с лишнем раза), и дефицитный. Титан же в четыре раза легче тантала и практически не уступает ему по стойкости. Титан отличается превосходной коррозионной стойкостью при стерилизации кипячением, не разрушается в спирте, эфире, растворах сулемы, хлорамина, в желудочном соке, в других жидкостях и тканях человеческого тела. Конструкции из титана хорошо переносятся организмом, "врастая” в кости и мышцы.

Титановые пластины, шурупы, гвозди, спицы, стержни и другие приспособления для скрепления осколков костей используют врачи-травматологи Ленинграда, Запорожья, Новосибирска, Мончегорска и многих других городов.

В Москве в Центральном институте травматологии и ортопедии (ЦИТО) под руководством профессора К.М.Сиваша разрабатывают и применяют протезы суставов, восстанавливая, казалось бы, навсегда утраченную подвижность руки или ноги. Работы института известны во всем мире. Особенно удачны конструируемые и используемые в клинике института протезы тазобедренного сустава.

Искусственные суставы из стали были как будто надежны и вполне устраивали ортопедов, но на протяжении не более двух-трех лет. Стальной сустав никогда не существовал в организме более 10 лет, так как металл ”уставал” и ломался. А ведь человеку, подвергшемуся сложной операции по вращиванию металлического протеза, надо бы жить с ним десятки лет! Неужели нет металла, который не уступал бы по прочности костям и который служил человеку долгие годы?

Есть высокопрочный и чрезвычайно стойкий против коррозии сплав кобальта, молибдена и хрома—так называемый комохром. Из него изготовляют очень хорошие протезы для вживления в организм, и он полностью удовлетворял бы ортопедов, если бы не был чрезвычайно дефицитным и дорогим.

Спору нет, в медицине главное — не экономическая эффективность, а восстановление утраченного здоровья. И все же дороговизна и дефицитность протезов из комохрома препятствуют тому, чтобы всякий нуждающийся в них мог свободно получить протез.

Помимо дороговизны и малодоступности самого комохрома, изготовление протезов из этого сплава требует много времени и труда. Вполне понятно, что медики из ЦИТО старались подыскать для протезов такой материал, который по своим медико-техническим свойствам не уступал бы комохрому, но был намного дешевле и легче поддавался обработке. Их надежды оправдались, когда в качестве такого материала был избран титан с небольшими добавками алюминия и олова (титановый сплав марки ВТ5-1).

Экспериментально было проведено, что протез тазобедренного сустава из сплава титана вполне может постоянно находиться в организме. Ткани тела, непосредственно прилегающие к титановому протезу, не воспаляются, металл совершенно стоек в организме, а испытание на излом показало, что титановый протез выдерживает в месте наибольших напряжений усилие до 3000 килограммов! Времени на изготовление протезов из титана требуется в полтора-два раза меньше, а что касается стоимости, то новый протез более чем в три раза дешевле, чем изготовленный из комохрома. Если же учесть, что цены на титан неуклонно снижаются, что запасы сырья практически безграничны, а сплавы постоянно совершенствуются, то можно считать, что ортопеды и травматологи нашли именно то, что им нужно.

.Титановые протезы для полной замены тазобедренных суставов, поврежденных в результате анкилозирующего спондилоартрита, коксартроза, некоторых форм туберкулезного коксита, а также в результате травмы верхнего конца бедренной кости, в Центральном институте травматологии и ортопедии применяют уже многие годы. Проведены сотни операций по вращиванию протезов в организм (как в нашей стране, так и за рубежом). В результате у больных восстанавливается ранее утраченная подвижность тазобедренного сустава, опорная функция ноги сохраняется и многие пациенты благодаря титановому протезу стали полноценными членами общества — вернулись к труду.

В клинике травматологии и ортопедии Запорожского института усовершенствования врачей имени Горького начиная с 1967 года проведены сотни операций по соединению костей — так называемому остеосинтезу — с применением титановых конструкций. Титановые спицы, стержни, гвозди, болты и шурупы применяются при операциях по поводу свежих и несрошихся переломов костей плеча и предплечья, голени и голеностопного сустава. Результаты всех операций оказываются хорошими. Ни разу не было таких послеоперационных осложнений, как коррозия, деформация или перелом металлической конструкции.

Некоторые металлические конструкции, извлечённые из человеческого организма через пять и даже восемь месяцев, в Институте титана были подвергнуты спектральному анализу и металлографическому исследованию. Тщательно обследованные титановые металлоконструкции не имели даже малейших следов коррозии. Такая коррозионная стойкость и высокая механическая прочность обеспечивают хорошие результаты применения титана в качестве материала для остеосинтеза.

В качестве фиксаторов титановые сплавы применяют и во многих других клиниках нашей страны, и повсюду использование их дает положительные результаты, позволяет обойтись без дополнительного гипсования после операции, что значительно сокращает срок стационарного лечения и, следовательно, весь период нетрудоспособности. Даже в условиях нагноительного процесса титановые фиксаторы не усугубляют течение болезни. Благодаря титану срастаются поврежденные кости и в том случае, когда перелом сопровождается воспалительным процессом во всей толще кости.

Многие научно-исследовательские институты нашей страны уже не первый год успешно разрабатывают медицинские инструменты из титановых сплавов. Создано несколько комплектов инструментов для различных областей медицины, всего около 80 наименований. Разделы медицины, для которых разработаны титановые комплексы, — это общая хирургия и стоматология; созданы также инструменты для врачей, специализирующихся на заболеваниях уха, горла носа и глаз. Среди инструментов значатся шпатели и клипсы, зеркала, ранорасширители и скобки для сшивания ран, зажимы и щипцы, долота и пинцеты, различные пластины. Необыкновенно прочные, легкие, стойкие против коррозии титановые инструменты приходят на смену медицинским инструментам, изготовленным из нержавеющей стали. Она гораздо долговечнее, так как титан абсолютно стоек в жидкостях человеческого тела, в лекарственных и физиологических растворах, в дезинфицирующих веществах. Медики по достоинству оценили их легкость, прочность и долговечность в условиях стационарных больниц. Эти свойства инструментов оказьюаются особенно ценными в полевых условиях, где стойкость против коррозии должна быть весьма надежной, где каждый лишний грамм груза заметен и чувствителен. Для медиков, отправляющихся в различные экспедиции, титановые инструменты совершенно незаменимы.

Кто не знает знаменитых путешествий бесстрашного Тура Хейердала через океан на папирусных лодках ”Ра” и ”Тиг- рис”? И кто же не знает, что среди интернациональной команды папирусного суденышка неоднократно находился советский врач Юрий Сенкевич? Но мало кто знает, что в опасный и трудный путь Сенкевич брал с собой комплекты медицинских инструментов из титановых сплавов. Лодка в открытом океане — не то, что светлая добротная больница, где инструментарий хранится в идеальных условиях. Тем не менее, океан и непогода были нипочем сверкающим титановым изделиям, и, возвратившись домой, советский медик давал им самую высокую оценку.

Титан используют в медицине еще не так широко, как он этого заслуживает, однако и то, что уже сделано в этом направлении, — далеко не мало.

Новый промышленный металл применяют в головках ультразвуковых аппаратов, что во много раз увеличивает срок их службы. Головки из других материалов под воздействием ультразвука быстро разрушаются, титан же стоек и при постоянном воздействии на него ультразвуковых колебаний.

Титан применяют для изготовления деталей наркозно-дыхательных аппаратов и начинают использовать в сложнейших аппаратах, временно заменяющих жизненно важные органы — такие, как сердце, почки, легкие. Эти аппараты обычно громоздки, ими пользуются, как правило, в больших клинических больницах, где за ними наблюдает целый штат специалистов. Но есть попытки создать и миниатюрные искусственные органы, которые можно помещать в человеческий организм.

Американский врач Ловелл Гармисон сконструировал искусственное сердце, масса которого не превышает 300 граммов. ”Сердце”, предлагаемое американским медиком, представляет собой миниатюрный насос, изготовленный из титана и приводимый в действие паровым движком мощностью 10 ватт, который должен обеспечить работу парового сердца на протяжении десяти лет.

Каковы перспективы этого изобретения, сказать трудно, а пока наряду с капроновыми и нейлоновыми для вращи- вания в ткани сердца используют титановые клапаны.

Титан гораздо лучше, чем нержавеющая сталь, ”отталкивает” или, как это называют в технике, десорбирует со своей поверхности радиоактивные изотопы, поэтому из него изготовляют защитные устройства радиологической аппаратуры. Он также слабо поглощает бета-лучи и при малой толщине сохраняет достаточную жесткость и прочность, что позволяет использовать его для многих медицинских приборов и аппаратов. Широкое применение должен найти титан и в производстве оборудования для стерилизации медицинских инструментов и перевязочного материала.

Косвенное применение титан, находит и в стоматологии: при изготовлении пластмассовых протезов используют белое кристаллическое вещество — диоксид титана, благодаря которому ”фасад” искусственного зуба имеет естественный цвет.

В практике стоматологии предпринимаются попытки использовать титан в качестве зубопротезного материала. В некоторых странах налажено опытное изготовление искусственных зубов из титана. Стоматологи предполагают, что коррозионная стойкость нового металла в полости рта практически не уступает стойкости благородных металлов.

ТИТАН - ХРАНИТЕЛЬ ГОРЮЧЕГО?

Автомобиль будущего — это не просто иная форма кузова, новые конструкционные материалы и технические параметры. И вовсе не обязательно — высокие скорости и мощный двигатель. Скорее даже напротив. Массовый автомобиль должен быть в первую очередь безопасным, а высокие скорости только повышают уровень риска. Автомобиль будущего — это еще и машина, работающая на новом топливе. Не на бензине, не на керосине или соляровом масле и вообще не на продукте переработки нефти. Мировые запасы нефти близятся к концу, органическое топливо становится все дороже и нет оснований надеяться, что этот процесс удастся остановить. К тому же продукты сгорания бензина и мазута сильно загрязняют воздух.

В последние годы во многих странах проявляется большой интерес к заменителям традиционных видов автомобильного горючего. Среди таких заменителей — природный газ (пропанбутан) , водород, а также качественно иной вид питания — электроэнергия. Электромобиль — теоретически наиболее удачное решение проблемы. Совершенно безотходный транспорт — что может быть лучше?! Другое дело, что емкость электрических батарей, их габариты оставляют желать много лучшего. Современные аккумуляторные батареи — тяжелы, громоздки и не очень энергоемки. Небольшой электромобиль, почти целиком набитый батареями, может проехать без подзарядки всего несколько десятков километров, да и то с небольшой скоростью, и пока нет необходимой научно-технической базы для ликвидации этого "узкого места".

Газобаллонные автомобили, работающие на жидком пропанбутане, уже внедряются в автохозяйство Москвы. Ездят они и по улицам Токио, Нью-Йорка, некоторых других городов. Пробег у них без подзарядки тоже невелик, емкости же с газом огромны. Да и особенно перспективным природный газ не назовешь: запасы его, как и залежи нефти, ограничены, а стоимость имеет тенденцию расти.

Перспективным видом топлива для транспорта будущего считается водород. Запасы его неисчерпаемы: в сущности, вся водная толща нашей планеты — водород (только в соединении с кислородом). При его сгорании выделяется много 142энергии, намного больше, чем при сгорании природного газа. Немаловажным является также то, что при сгорании водорода почти не загрязняется воздух. Оксиды азота и воды — вот практически все вещества, которые выделяются в атмосферу при сгорании водорода.

Но до широкого использования водорода в качестве топлива путь неблизкий. Поскольку чистого водорода в природе нет, его приходится производить, разлагая воду на составные части, а этот процесс не из самых простых и безопасных. Получаемый водород недешев, хранить его сложно, но в какой-то степени все это — издержки производства в небольших масштабах. Ведь и бензин тоже, если разобраться, топливо не из самых удобных.

Сложно также хранить водород в автомобиле. Можно хранить его в баллонах под большим давлением (20—25 мегапаскалей) , но такие баллоны очень громоздки и тяжелы. И неудивительно. Ведь им надо выдержать силу стиснутого газа, готового в любой момент "взбунтоваться”. Можно, правда, перевести водород в жидкое состояние, но криогенные сосуды для его хранения еще более громоздки, а сжиженный водород в 2—3 раза дороже газообразного.

В шестидесятые годы нашего века был разработан способ хранения водорода в сосудах из специальных сплавов, называемых гидридными. Они представляют собой твердые или порошкообразные соединения, способные при охлаждении поглощать, а при нагревании выделять большое количество газообразного водорода. В качестве материалов для получения таких сплавов лучше других зарекомендовали себя титан и железо. Сплав титана с железом может работать неограниченно без видимых признаков ухудшения свойств.

Правда, баллоны с гидридными сплавами массивнее бензобаков, но намного легче и меньше, чем кислотные аккумуляторные батареи, применяемые на электромобилях. Что же касается пожароопасности, то автомобили, оснащенные такими баллонами, куда безопаснее обычных, так как водород находится внутри гидридных сплавов в связанном состоянии, а титан в соединении с железом не горит.

Водород в качестве топлива удобен еще и тем, что пригоден для использования на обычных автомобилях. Не надо создавать совершенно новые машины, как это потребовалось бы при внедрении транспорта на электрической тяге. Небольшая переделка двигателя — и любой современный автомобиль готов к работе на водороде.

Уже имеется опыт экспериментальной эксплуатации машин на водородном горючем. В 1975 году с США был испытан автобус Виннебаго Михибус с карбюраторным двигателем,

Переоборудованным для работы на газообразном водороде. Горючее хранилось в двух баллонах с гидридными сплавами. Запас хода при скорости 80 километров в час превысил 120 километров. Через год успешно прошел эксплуатационные испытания легковой автобус фирмы ”Понтиак” (модель ”Гранд Вилли”), питаемый водородом.

На таком же горючем работал и небольшой автобус фирмы ”Даймлер-Бенц” (ФРГ). Испытания проводились в научно- исследовательском центре фирмы. В баллон с гранулами (частичками) титано-железистого сплава нагнетали почти 50 кубических метров водорода, затем емкость устанавливали в автобус под одним рядом сидений. Этого запаса газа хватало на пробег около 150 километров.

При комбинации баллона из гидридного сплава титана и железа с баллоном из сплава магния, алюминия и кремния (2 баллона общей массой 200 кг) можно при одной заправке автомобиля достичь пробега до 400 километров.

ОТ МОНУМЕНТОВ ДО БЕЗДЕЛУШЕК.

18 августа 1964 года в Москве на проспекте Мира, рядом с ВДНХ, был открыт обелиск в честь запуска в СССР первого в мире искусственного спутника Земли. Запуск произошел, как известно, 4 октября 1957 года. Этот день — начало космической эры человечества.

Такое событие требовало монументального воплощения и вскоре началось проектирование, а затем и возведение памятника. Кроме архитектурных, предстояло решить еще целый комплекс инженерных задач, среди которых выбор облицовочного материала играл не последнюю роль.

Дело в том, что обычный воздух, которым мы дышим и который окружает всю нашу планету, не безобиден для материалов. Он содержит в себе пары воды, кислород, сернистый газ, хлористый натрий и некоторые другие вещества, вызывающие коррозию. Так что любой предмет, находящийся в атмосфере, подвергается опасному разрушению. Под открытым небом на него (в данном случае на обелиск, которому предстоит простоять десятки и сотни лет) действуют дожди и туманы, а в городах — выбросы автомобильных двигателей и промышленных предприятий, которые усиливают и без того ощутимую коррозию.

Восемь десятилетий назад в Париже была воздвигнута знаменитая Эйфелева башня. Она поднялась ввысь вопреки многочисленным протестам, вопреки действиям Комитета по спасению Парижа, в состав которого входили такие знаменитости, как писатель Ги де Мопассан, композитор Шарль Гуно, сыновья Александра Дюма. Говорили, что башня уродлива, что она искажает облик столицы Франции, к тому же она совершенно бесполезна. К этим доводам, звучавшим на протяжении многих лет уже и после того, как Эйфелева башня стала достопримечательностью Парижа, прислушивались, и в начале нашего века это сооружение едва не было отдано под снос. Спасло башню только изобретение радио и развитие радиовещания, благодаря чему она стала отличной радио-, а в наши дни и телеантенной.

Постепенно из сооружения, искажающего, по мнению некоторых, облик города, башня сделалась его украшением, символом, местом паломничества туристов, которых бывает в год до трех миллионов. Париж без Эйфелевой башни невозможно себе представить, как невозможно представить Москву без Кремля, а Лондон без Букингемского дворца. И все же башне угрожает гибель, но уже не от того, что кто-то требует этого. Башня неизлечимо больна ржавчиной — ведь она сделана из обычной стали и неудержимо разрушается.

Она не простояла бы и до наших дней, но за восемьдесят лет существования ее 16 раз красили и каждый раз масса башни в результате этих процедур увеличивалась на 70 тонн. Но и краска не в состоянии остановить процесс разрушения гигантского сооружения массой почти в 7 тысяч тонн, скрепленного более чем миллионом заклепок, которые тоже не вечны.

При сильном ветре башня раскачивается, ее расшатывает топот многих миллионов ног посетителей, и общественность Франции озабочена вопросом, как же спасти историческую реликвию. В 1982—1983 годах были проведены большие ремонтно-восста-новительные работы. Часть сооружения была демонтирована, и в результате Эйфелева башня стала легче на 1100 тонн.

Вот почему каждый, кому приходится в наши дни разрабатывать проекты монументальных сооружений, в первую очередь озабочен выбором материала для воплощения архитектурного и инженерного замысла.

Авторы проекта памятника в честь покорителей космоса не сразу сделали свой выбор. На проектирование и возведение обелиска понадобилось без малого семь лет. Поначалу предполагалось, что монумент будет облицован стеклом, затем пришли к выводу, что лучше покрыть его пластмассой, но вскоре отказались и от этой идеи. Был вариант использовать для этой цели нержавеющую сталь, однако сталь не обеспечила бы нужной чистоты и стойкости поверхности на протяжении большого периода времени.

В конце концов выбор был сделан. Отполированные до блеска листы титана — вот что стало "одеждой” монумента, которую он будет с гордостью носить долгие сотни лет.

Поскольку титан — металл не только ”вечный”, но и чрезвычайно прочный, из него был изготовлен вымпел, доставленный на Луну советской ракетой еще тогда, когда мягкую посадку на поверхность нашего естественного спутника совершать не удавалось.

В честь 100-летия организации Международного союза электросвязи по инициативе ЮНЕСКО был проведен конкурс проектов юбилейных памятников. На конкурсе было представлено свыше двухсот работ, предложенных зодчими всего мира. Первый приз получила разработка, предложенная советскими архитекторами.

Об этом памятнике много писали. Он прост и очень оригинален по замыслу. Монумент представляет собой две бетонные чаши, облицованные полированным титаном. Чаши возвышаются на десять с половиной метров, они совершенно одинаковы и симметрично, полыми сторонами внутрь, установлены одна против другой. Между ними проделана специальная бетонная дорожка, и люди, проходящие по ней между титановыми чашами, слышат усиленные и причудливо сочетающиеся шумы города, звуки собственных шагов, видят свое отражение на зеркальной поверхности металла. При желании можно что-нибудь сказать или крикнуть и в ответ раздастся раскатистое эхо, как бы символизируя идею общения посредством радиосвязи. Памятник намечено воздвигнуть в Женеве на площади Наций. Он будет не единственным титановым сооружением в швейцарском городе.

20 июля 1971 года в Женеве, в парке Дворца наций, состоялась торжественная церемония открытия обелиска, переданного Советским Союзом в дар Организации Объединенных Наций. Монумент олицетворяет неудержимое стремление человечества в космическое пространство и посвящен успехам, достигнутым людьми в освоении пространства Вселенной. Памятник представляет собой титановый обелиск высотой 28 метров и по внешнему виду отдаленно напоминает монумент в честь покорителей космоса, установленный в Москве.

4 июля 1980 года на Ленинском проспекте нашей столицы в торжественной обстановке был открыт памятник Ю.А. Гагарину — первому космонавту Земли. Памятник представляет собой фигуру летчика, которая органически сливается с символической ракетой. Весь памятник изготовлен из монолитного титана. Это не только обеспечивает сооружению многовековую сохранность, но и символизирует авангардную роль нашей техники и науки.

Несколько лет титановый обелиск в Москве у ВДНХ был единственным в нашей стране местом, не считая павильона "Металлургия” ВДНХ, где каждый желающий мог увидеть новый замечательный материал. Спустя некоторое время серебристо-серые неярко блестящие литеры появились над входом в гостиницу ”Москва”. О том, что они титановые, мало кто знал, и они не привлекали внимания прохожих. В других городах страны титан видели только те, кто непосредственно имел дело с этим материалом. В самом деле, ведь школьники, собирающие металлолом, приносят на сборный пункт старые алюминиевые, латунные, медные, оцинкованные вещи, но никто из них еще не бросал на груду лома что- либо титановое. Да, но ведь нет среди металлолома и предметов из никеля, хрома, кобальта?! Это так. И все же и хром, и никель, и кобальт нам хорошо известны в быту.

Сейчас редко можно встретить дом, в котором не было бы изделий из нержавеющей стали. Никель и хром — ее важнейшие составляющие. Кобальт и хром — основные металлы сплава, используемого для изготовления металлических зубных протезов. А никелированные и хромированные изделия окружают нас постоянно: бамперы и дверные ручки автомобилей, корпуса часов и детали фотоаппаратов и многое другое. Так что эти металлы, можно сказать, всем нам хорошо знакомы.

Титан же многие годы оставался ”таинственным незнакомцем”. И дело не в дороговизне металла. И кобальт, и никель, и хром тоже недешевы. Больше того, драгоценные металлы — золото, платину, серебро — мы прекрасно знаем, а ведь стоимость благородных металлов неизмеримо выше стоимости титана.

Не стоимость играла главную роль в том, что до последнего времени мало кто из нас видел и тем более держал в руках какие-нибудь изделия из титана. Металл этот настолько ценен своими свойствами, что использовали его в сугубо специальных отраслях, а если и применяли в химической промышленности и цветной металлургии, то очень ограниченно, на самых ответственных участках производства.

Сейчас картина существенно изменилась. Титан сравнительно широко используется в промышленности, приходит в наш быт. Некоторые предприятия уже выпускают титановые столовые и кухонные наборы, напоминающие по внешнему виду изделия из нержавеющей стали, продающиеся в магазинах примерно по той же цене.

Методом прессования, а затем спекания титановых порошков изготовляют памятные юбилейные медали, барельефы и другие сувениры. Наша страна — единственная в мире держава, где титан нашел применение практически во всех отраслях, в том числе и в таких, как декоративно-прикладное искусство и производство бытовых товаров.

У титана есть характерная особенность, о которой вы еще пока не знаете. Этот металл обладает очень красивым, протяжным и чистым, как говорят, малиновым звоном.

До колоколов дело пока еще не дошло, а вот электрические звонки из титана в некоторых странах уже выпускают, и покупатели довольны.

Очень перспективно использование титана в полиграфических машинах. Московские полиграфисты, проведя ряд испытаний, определили, что титан — наилучший материал для пробельных элементов. Читая книгу, вы, конечно, не раз обращали внимание на то, что страницы покрыты буквами не сплошь, а только строго определенным количеством печатных знаков. Остальная площадь листа не заполнена— белая. Белы и промежутки между словами, между строчками книг.

Это кажется само собой разумеющимся, но чтобы страница книги выглядела именно так, как она выглядит, полиграфисты заполняют ”пустые” места специальными металлическими элементами, которые и создают пробелы. И если шрифт набора должен легко смачиваться краской и легко отдавать ее бумаге, то пробельные элементы не должны оставлять на листе никаких следов. Свойства титана не смачиваться, "отталкивать” жидкости, а также легкость и прочность металла сыграли первостепенную роль в том, что титан оказался наилучшим материалом для изготовления этих деталей.

Важная особенность титановых сплавов — превосходная стойкость в фотографических растворах и эмульсиях. Она пока еще не нашла применения на кинофабриках и предприятиях, изготовляющих фотопленку, но в полиграфии уже по достоинству оценена. Одесским специальным конструкторским бюро ”По- лиграфмаш” совместно с Институтом титана разработан проявочный блок-кювет для скоростной обработки фотопленки в установке РПУ-50. Установка используется для скоростной передачи полос центральных газет фототелеграфным методом, и титан с честью противостоит агрессивным растворам для проявления и фиксирования изображения.

Стойкость титана против коррозии уже используется в текстильной промышленности для изготовления емкостей, в которых протравливают и окрашивают ткани. Обычно такие операции осуществляют с помощью чрезвычайно едких химических соединений, так что титану есть где развернуться во всей своей богатырской мощи.

Титан находит применение и в фармацевтической промышленности, где нужны материалы, которые обеспечивали бы идеальную чистоту и стерильность лекарственных препаратов. Известно, что серебро обладает бактерицидным действием — обеззараживает вещества и жидкости, что мешает развитию микроорганизмов. Подобным же свойством, хотя и в меньшей степени, обладает и титан.

Поистине безграничны возможности нового промышленного металла, и все же он используется далеко не везде, не так широко, как хотелось бы этого.

Глава 3. ПРИБЛИЗИМ БУДУЩЕЕ!

ЭКОНОМИЯ ПОДЛИННАЯ И МНИМАЯ.

Вряд ли мы назовем рачительным хозяином человека, который ничего не станет покупать для своего хозяйства — ни инструментов, ни материалов — и будет мотивировать это тем, что он экономит средства. Точно так же мы выразим сомнение по поводу должной физической формы спортсмена, который вместо того, чтобы постоянно упражнять свои мышцы на тренировках, вдруг стал бы экономить силы, круглые сутки лежа без движения . . .

Эти примеры так очевидны, что никто с нашими оценками спорить не станет, в том числе и те люди, которые в своей практической деятельности на производстве или в учреждении мыслят и поступают аналогичным образом. Иной недальновидный хозяйственник выбрасывает на ветер сотни тысяч рублей лишь потому, что проявляет ложную бережливость и не понимает того, что куда экономнее затратить десятки тысяч рублей на приобретение новейшего прогрессивного оборудования, на внедрение новых эффективных материалов, среди которых титан занимает далеко не последнее место.

.Да, титан и изготовленное из него оборудование пока еще сравнительно дороги, но в том ведь и заключается деловая квалификация руководителя, что он, вкладывая пусть даже немалые средства, предвидит их скорейшее возмещение и даже солидный доход.

Если сравнить хозяйственников с шахматистами, то очень легко заметить разницу между мастерами своего дела и дилетантами. Гроссмейстер играет совсем не так, как начинающий; он видит позицию на много ходов вперед и всегда думает о конечном результате. Именно потому, что мастер всегда думает о.

Конечном результате, он — тактик и стратег. Он сознательно может принести в жертву любую фигуру, даже ферзя, с тем чтобы получить позиционный перевес и в результате добиться победы. Дилетант же стремится только к сиюминутной материальной выгоде. Предел его мечтаний — "съесть” все без исключения фигуры и пешки противника, оставив тому только одного короля. Свои же фигуры дилетант старается максимально сберечь. И вот, добившись грандиозного материального перевеса, дилетант начинает охоту за королем соперника и иногда кое- как ставит мат. Но нередко бывает и так, что тактическая близорукость подводит шахматиста и, польстившись на слона или даже пешку, он проигрывает партию.

Точно так же проигрывают и хозяйственники-дилетанты, стремящиеся к копеечной экономии. Но только проигрыш их гораздо существенней и серьезней. Сберегая копейки, они теряют рубли, экономя рубли, теряют сотни, сохраняя сотни, теряют десятки тысяч.

”Гроссмейстеры” хозяйствования видят далеко вперед и стремятся к подлинной, а не мнимой экономии. Вот почему они хорошо оценили возможности титана и стараются максимально его использовать, тогда как дилетанты относятся к новому материалу с опаской и даже с пренебрежением.

В этой книге много говорилось о сравнительной дороговизне "металла века". Настала пора рассказать о ней подробнее.

Да, титан — металл из дешевых, но все же стоимость его вполне сопоставима со стоимостью цветных металлов и специальной стали. Стоит он примерно в 5—6 раз дороже нержавеющей стали.

Это, правда, тоже не дешево, но при изготовлении из них изделий заметная разница в стоимости нередко сходит на нет.

Поскольку титан почти вдвое легче нержавеющей стали, то для замены ее требуется титана гораздо меньше, что значительно снижает стоимость готового изделия. Высокая удельная прочность и превосходная стойкость против коррозии позволяют уменьшить величину припусков, толщину стенок, что еще в большей степени снижает количество расходуемого металла. К тому же, стоимость материала всегда составляет только часть стоимости готового изделия.

Вот и выходит, что различное оборудование из титана стоит не в 5—6 раз дороже того же оборудования, изготовленного из нержавеющей стали, а только в 2—3 раза. В некоторых случаях изделия из титана нисколько не дороже стальных, а бывает и так, что титановое оборудование даже дешевле. В зарубежной печати приводят данные о том, что теплообменники из титана в 2 раза, а змеевики почти в 3 раза дешевле аналогичных изделий из "нержавейки".

Возьмем даже тот случай, когда титановое оборудование стоит намного дороже стального, и разберемся в нем досконально. Корпус реактора из нержавеющей стали стоит 200 рублей. Изготовленный из титана такой же корпус стоит уже 800 рублей, то есть в 4 раза дороже. Но стальной аппарат будет служить полгода, а титановый — 10 лет, и, с учетом полного срока эксплуатации, получается, что более дорогой титан в 5 раз дешевле нержавеющей стали. А если срок службы титана больше не в 20 раз, как в только что приведенном случае, а в гораздо большей степени? Тогда во сколько раз титан будет дешевле своих конкурентов? Смесительные барабаны, облицованные титаном, в которых перемешивают оксихлориды, бесперебойно работают более года. Хромоникельмолибденовые сплавы в этих условиях не выдерживают и 5 часов. В данном случае титан служит в 1752 раза дольше!

Но титан помогает беречь не только деньги. Практика эксплуатации титанового оборудования показала, что каждая тонна титана заменяет собой от 5 до 10 тонн нержавеющей стали, а это значит, что широкое внедрение титана в промышленность позволяет сберечь тысячи тонн никеля, хрома и других очень ценных и дефицитных металлов. Титан заменяет (и тем самым экономит) также молибден, тантал, а в сплавах с ними — золото, платину и другие благородные металлы. Таким образом, он очень экономичный металл.

Тем более странно, что, успешно соперничая со сталью, оловом, никелем, алюминием и магнием, свинцом и цинком по свойствам, он еще не в состоянии соперничать с ними по широте использования. Из миллиардов тонн разведанного титанового сырья в металл пока перерабатывают только тысячные доли процента.

ДЕШЕВЛЕ? МОЖНО.

Что бы ни говорилось о реальной и бесспорной экономической эффективности использования титана при существующем уровне цен, нет никакого сомнения в том, что будь титан подешевле — масштабы его производства и применения выросли бы неизмеримо. Соответственно возросла бы и польза, которую приносит народному хозяйству этот металл.

Но ведь цена не должна быть ниже себестоимости, а себестоимость титана еще высока. Собственно говоря, высокая себестоимость титановой губки, и именно стоимость губки определяет сравнительно высокие цены титановых полуфабрикатов и оборудования, изготовленного из этого металла.

С целью снижения себестоимости во всем мире непрерывно ведут многочисленные исследовательские работы, направленные на совершенствование существующей технологии производства титана, а также на разработку способов прямого извлечения металла из руд. Ежегодно выдаются десятки патентов на новые методы получения металлического титана, на модификацию уже известных технологических операций. Однако эти новые методы не в состоянии конкурировать с известными промышленными способами, а предлагаемое совершенствование последних не настолько существенно, чтобы ощутимо снизить стоимость титана.

Справедливости ради надо сказать, что стоимость титановой губки претерпела значительные изменения с момента выпуска первых промышленных партий. Так, например, в нашей стране цены на титановую губку в связи с непрерывным снижением себестоимости уменьшались несколько раз, в результате чего даже более высококачественная губка стоит сейчас вдвое дешевле, чем прежде. Уменьшение стоимости титановой губки позволяет снижать цены на титановые полуфабрикаты: на листы, трубы, прутки, гнутые профили.

И все же стоимость титана снижается не так быстро, как хотелось бы, и у этого есть объективные, еще непреодолимые причины. Но, может быть и при существующем уровне цен есть какая-нибудь возможность удешевить оборудование, изготовленное с применением этого металла? Да, такая возможность действительно есть.

Не во всех случаях так уж необходимо, чтобы аппаратура была изготовлена целиком из титана. Нередко достаточно и того, что стойкий против коррозии металл будет защищать только внутреннюю ее поверхность, только те места, которые непосредственно соприкасаются с агрессивной средой. Основная же масса конструкции может быть изготовлена из обычной стали, прочность которой достаточна, чтобы выдерживать большие давления. Таким образом достигается оптимальный вариант использования титана, который незначительно удорожает стоимость оборудования.

Но сварка титана с другими металлами практически невозможна. Как же соединяют титан со сталью? Существует несколько методов. Когда оборудование не предназначено для работы при высоких температурах и не подвергается воздействию вакуума, поверхность его футеруют (выкладывают) тонким слоем титана.

Но футерованное оборудование нельзя применять при температурах выше 100 °С, так как при нагревании сталь расширяется значительно в большей степени, чем титан, что и приводит к повреждению футерованной конструкции. Кроме того, наличие зазора между футеровкой и кожухом не позволяет применять такое оборудование в процессах, связанных с воздействием вакуума.

В этом случае для изготовления оборудования используют двухслойный металл (титан — сталь), где слой титана составляет от одной двадцатой до одной пятой части всей толщины металла. Слой титана обеспечивает коррозионную стойкость, а более дешевый материал — заданные механические характеристики. Титан и сталь соединяют друг с другом при помощи взрывной волны или методом прокатки в вакууме. В результате материалы связаны между собой не просто механически, а физически, что приводит к улучшению теплопередачи и позволяет оборудованию из двухслойного металла выдерживать повторяющиеся нагревы до 500 °С и более и закалку в воде.

Из биметалла титан — сталь изготовляют такое оборудование, 154 как варочные котлы и отбельные башни целлюлозно-бумажного производства, емкости и колонны, применяемые в нефтехимии и металлургии. Использование биметаллического листа взамен цельнотитанового дает существенную экономию.

Другой путь снижения стоимости титановых изделий — изготовление их методом фасонного литья. Замена поковок фасонными отливками снижает расход металла в 3 с лишним раза, уменьшает трудоемкость механической обработки. Каждая тонна фасонных отливок, используемых взамен поковок, экономит более 20 тысяч рублей. Методом литья изготовляют запорную арматуру, части насосов, приборов, детали, применяемые в машиностроении.

В промышленности при производстве и обработке титана образуется большое количество отходов, состоящих из титановой губки, стружки, обрезки, кусков, лома. Основная масса этих отходов не используется, а накапливается на предприятиях, где отходы различных сплавов перемешиваются друг с другом и загрязняются. Специалисты давно уже задумываются над тем, как использовать этот металл.

Наиболее целесообразно перерабатывать отходы титана во вторичные сплавы. Эти сплавы несколько уступают основным по однородности, прочности и другим механическим характеристикам. Загрязненность примесями приводит к тому, что их стойкость против коррозии ниже, чем у серийных сплавов, и тем не менее вторичные титановые сплавы в достаточной степени прочны и коррозионностойки. Их можно с успехом и большой пользой применять в химической, нефтеперерабатьюающей, легкой, пищевой промышленности.

Сейчас ведутся опытно-промышленные разработки вторичных сплавов и изделий из них, получаемых методом литья. Вторичные титановые сплавы во. многих агрессивных средах по своей коррозионной стойкости незначительно уступают первичным сплавам, а в некоторых средах даже превосходят их. Что же касается их стоимости, то при широком производстве они будут дешевле первичных на 25—30 процентов.

ДЕТАЛИ ИЗ ПОРОШКА.

Многие изделия, изготовляемые из монолитного титана, с успехом можно делать из титановых порошков, что в значительной степени уменьшает стоимость продукции за счет резкого снижения отходов. Если при изготовлении деталей из обычного монолитного титана в отходы идет 50—70 процентов используемого металла, то при изготовлении тех же деталей из порошков (или, как говорят иначе, методом металлокерамики) в отходы идет всего 5—10 процентов титана. Вместе с тем титановая металлокерамика сохраняет все положительные свойства монолитного металла: легкость и прочность, стойкость в агрессивных средах, пластичность, способность поглощать газы.

В нашей стране накоплен немалый опыт по производству компактных изделий из титановой металлокерамики, ведется строительство новых и расширение действующих участков, изготовляющих методами порошковой металлургии различные титановые изделия. Институт титана совместно с некоторыми головными институтами различных отраслей промышленности проводит работы по совершенствованию технологии изготовления титановых металлокерамических изделий. Идет подготовка к выпуску опытно-промышленных партий деталей для машиностроения, в частности колец компрессора, защелок, для замка дверцы автомобиля ^Запорожец”, шатунов для двигателя автомобиля ”Москвич”.

На одном из металлообрабатывающих заводов за счет выпуска деталей из титановых порошков ежегодно получают экономию 100 тысяч рублей. При этом стоимость деталей снижена наполовину.

Пусть у читателя не возникает недоумения по поводу того, что из порошка (!) изготовляют детали, способные выдерживать большие механические нагрузки. Дело в том, что металлокерамика совсем не похожа на ”куличи”, которые делают дети из песка. Изделия из порошков монолитны, прочны, звенят гулким металлическим звоном. Их получают прессованием на мощных прессах, затем подвергают спеканию при высоких температурах в атмосфере инертных газов, с тем чтобы схватившиеся друг с другом частички прочно закрепились.

Впрочем, иногда необходимо, чтобы изделия из титанового порошка были не монолитными, а пористыми — в том случае, когда делают фильтрующие элементы.

Сделать такие элементы из обычного монолитного титана невозможно, а из порошка — очень легко и просто. Порошок прессуют таким образом, что между его частицами остаются микроскопические промежутки — поры, причем можно получить их строго определенной, заданной величины.

Фильтрующие элементы из титана применяются в тех производствах, где необходимо очищать от примесей агрессивные жидкости и газы. Титановые фильтры отличаются высокой стойкостью против коррозии, большой производительностью, они тщательно очищают растворы и газовые смеси. В нефтехимической промышленности они приходят на смену фильтрам из бронзы и фосфора, которые хрупки и недостаточно стойки.

Преимущества титановых фильтров в том, что их стойкость в агрессивных средах почти не уступает стойкости монолитного титана и вместе с тем они отличаются прочностью, обеспечивают высокую чистоту фильтрации и большую производительность.

Разработаны и уже внедрены титановые фильтры для водяных скважин. Фильтры собирают из секций длиной около трех метров и опускают в скважину на глубину сто метров и более. Титановые фильтры позволяют получать в час 10—18 кубических метров очищенной воды, что вдвое больше, чем дают скважины, оборудованные пластмассовыми, керамическими, асбоцементными и другими типами фильтров. Очищенная таким образом вода совершенно не содержит песка и полностью удовлетворяет потребителей.

Элементы из титанового порошка отлично зарекомендовали себя при фильтрации ацетилцеллюлозы в производстве ацетатного шелка. Применение титана не только обеспечивает высококачественную фильтрацию растворов, но и облегчает механизацию этого процесса, устраняет частую перезарядку фильтров, исключает значительные потери жидкостей, а также ликвидирует вредные условия труда, связанные с перезарядкой фильтров.

Фильтры из титана успешно применяют в производстве полиэтилена для очистки азота в сушильных агрегатах. Ранее применявшиеся керамические (фарфоровые) фильтры не выдерживали изгибающих нагрузок от налипания порошка полиэтилена на их поверхность и разрушались. Разрушение влекло за собой остановку технологического процесса. С внедрением титановых фильтров этот недостаток устранен.

Эффективно также применение титановой металлокерамики для тонкой фильтрации азотной кислоты. Металлокерамические пористые диски широко используют в качестве капиллярнопористого тела. Следует подчеркнуть, что фильтрующие элементы из титана в состоянии выдерживать продолжительную эксплуатацию при температуре 200—250 °С и давлении, достигающем 9 мегапаскалей.

За рубежом из титановой металлокерамики выпускают корпуса подшипников, запорные кольца и лопатки компрессора для турбореактивных двигателей, заклепки, получая при этом значительный экономический эффект. Применяемые в химической промышленности фитинги из титанового порошка стоят вдвое дешевле обычных кованых.

СУДЬБА "СЕРЕБРА ИЗ ГЛИНЫ’.

В 1855 году посетители Всемирной выставки в Париже среди фарфора и прочих драгоценностей с интересом рассматривали новый, впервые показанный широкой публике .экспонат — ”се- ребро из глины”. Так называли тогда алюминий. Килограмм этого металла стоил 1200 рублей золотом! Самый распространенный в природе металл, буквально валяющийся под ногами, уступающий по своей распространенности на Земле только кислороду и кремнию, ценился в те времена дороже золота. В это сейчас, конечно, трудно поверить.

Соединения алюминия были известны еще первобытным людям. Ведь глину, которая представляет собой содержащее алюминий соединение, использовали еще в доисторические времена. В середине XVIII века из квасцов был выделен оксид алюминия, впоследствии названный глиноземом.

В самом начале XIX столетия английский химик Хэмфри Дэви тщетно пытался выделить из глинозема металл с помощью электрического тока. Неудачно окончились и аналогичные попытки уже известного нам Берцелиуса, который назвал содержащийся в глиноземе элемент алюмием. Дэви несколько изменил это название и металл получил имя, которое осталось за ним с тех пор навсегда.

Важную роль в проблеме алюминия сыграл датский физик Ганс Христиан Эрстедт. В 1825 году, получив безводный хлорид алюминия, Эрстедт сделал попытку восстановить его калием. Попытка удалась. Датский физик писал, что в результате образовался "кусок металла с цветом и блеском, несколько похожим на олово”.

Летом 1827 года в Копенгаген приехал немецкий химик Фридрих Вёлер. Посетив Эрстедта и узнав, что тот, поглощенный работами по электромагнетизму, не собирается в дальнейшем заниматься получением алюминия, Велер, как только возвратился в Германию, продолжил опыты датского физика и усовершенствовал его метод.

Вначале Велер получал металлический алюминий в виде серого порошка. Почти двадцать лет понадобилось немецкому химику, чтобы добиться превращения порошка в компактную массу. Метод получения алюминия был уже достаточно совершенным и Вёлер мог бы наладить промышленное производство металла, но почему-то не сделал этого.

Заслуга получения алюминия в значительном количестве принадлежит французскому ученому и промышленнику Анри Сен- Клер Девиллю. Именно он и представил на Всемирной парижской выставке алюминиевые полоски и несколько слитков общей массой около килограмма, вызвавшие большую сенсацию. На эти кусочки металла смотрели с таким же восторгом и интересом, с каким мы сейчас смотрим на лунные камни.

Модницы "высшего света" щеголяли в алюминиевых украшениях, стоивших дороже золота. Император Наполеон III распорядился, чтобы во дворце Тюильри посуда была исключительно алюминиевая.

При поддержке французского правительства Девилль основал первый алюминиевый завод и приступил к постоянному выпуску металла в сравнительно небольших количествах. Следует подчеркнуть, что к тому времени, когда французский энтузиаст загорелся идеей создания алюминиевого производства, наметились два пути получения металла. Девил ль избрал химический путь извлечения алюминия по методу Эрстедта — Вёлера, а ведь уже в 1854 году предложили электрохимический метод получения металла из расплавленной соли.

Второй путь был гораздо более перспективным, но требовал большого количества электроэнергии. Единственным источником тока были тогда гальванические батареи. Если бы для извлечения алюминия стали использовать электрохимический метод, и без того высокие цены на алюминий подскочили бы еще выше.

За весь период с 1855 по 1890 год было получено всего 200 тонн алюминия. Килограмм самого дешевого алюминия, полученного химическим методом, стоил 18 золотых рублей. Это было недешево, и высокая стоимость была основной причиной, по которой металл не находил сбыта. В 1899 году английское королевское общество чествовало Д.И. Менделеева, и в знак выдающихся заслуг нашему великому соотечественнику был преподнесен драгоценный подарок — весы из золота и алюминия!

Алюминий использовали только в ювелирной промышленности как суррогат серебра да в виде порошка применяли для нанесения на поверхность знамен. ”Нет ничего труднее, чем заставить людей применять новый металл”, — вздыхал Анри Девилль.

В конце XIX века в промышленность пришло электричество. Была создана динамомашина, люди научились получать трехфазный ток и передавать его на расстояние. Тут-то и вспомнили о электрохимическом методе.

Алюминий стали получать электролизом расплава солей. Выпуск металла резко возрос, существенно снизилась его цена: на стыке XIX и XX веков килограмм алюминия стоил уже 1 рубль золотом.

В конце XIX века ежегодный выпуск алюминия исчислялся тысячами тонн. Можно было производить его в еще больших количествах, но металл не находил применения.

Спрос на алюминий увеличился в годы первой мировой войны и неуклонно возрастал с развитием воздухоплавания и авиации. Его стали использовать в производстве воинского снаряжения, в конструкциях дирижаблей и аэропланов. В 1930 году в мире было произведено 300000 тонн этого металла, а сейчас ежегодный выпуск алюминия исчисляется многими миллионами тонн.

Алюминий — второй металл современности, по масштабам производства уступающий только железу. Сплавы алюминия широко применяют в самых различных областях: в машиностроении и электротехнике, в строительстве и в пищевой индустрии, на транспорте и в быту. Из него воздвигают мосты и сооружают плавательные бассейны, делают остовы самолетов и скамейки многотысячных стадионов.

Моторные лодки, корпуса вагонов, автобусов и троллейбусов, электропроводка, фольга для упаковки шоколада, конфет, молочной продукции — да разве можно перечислить все области, назвать все изделия, которые связываются в нашем сознании с этим серебристым металлом, который когда-то считался драгоценным и не мог найти применения? Такова чудесная метаморфоза алюминия — металла с завидной судьбой.

ЗВЕНО В ЦЕПИ УСКОРЕНИЯ.

Не так ли и титан, еще не занявший подобающего места в народном хозяйстве по масштабам использования, таит в себе массу нераскрытых сил и возможностей? И не ожидает ли его такая же судьба, такие же грандиозные перспективы, какие уже стали реальностью для алюминия? Думается, что на эти вопросы можно ответить утвердительно, особенно если учесть, что с момента выпуска первых в мире килограммов титана прошло всего-навсего четыре десятилетия.

Алюминий же как конструкционный материал известен человечеству с 1855 года. Но только в наши дни он получил широкое распространение, сделался обычным недорогим металлом. В 40-е годы нашего века алюминий был еще сравнительно дорогим, и его годовое производство в мире исчислялось не многими миллионами, а несколькими сотнями тысяч тонн. Приблизительно в таких же масштабах ныне производится титан.

Специалисты говорят, что сейчас титан стоит столько же, сколько стоил алюминий в 40-е годы, когда применялся в основном в авиационной промышленности, но зато мы знаем о титане гораздо больше, чем в то время знали об алюминии. Это и неудивительно, так как с момента возникновения титановой промышленности исследования этого материала проводятся в таких крупных масштабах, которые не знала история ни одного металла.

Можно смело сказать, что в мире еще не было конструкционного материала, о котором бы на протяжении совсем небольшого промежутка времени столько говорили, который так пристально изучали, как изучают титан и как говорят о нем. О титане пишут статьи в центральных газетах и научно-популярных журналах, издают книги, печатают монографии, снимают кинофильмы.

А ведь существовал период, когда титан не мог найти приложения своим богатырским силам в народном хозяйстве и обращался на ”биржу труда”. Сейчас этот период уже давно позади. Уровень потребления металла века стремительно вырос. Это результат очень большой и целенаправленной работы, итог интенсивной научно-практической деятельности.

Каковы же особенности применения титановых сплавов в народном хозяйстве теперь, с учетом большого накопленного опыта, с учетом того, что об этих материалах наслышаны многие, знают им цену и стремятся их использовать?! С таким вопросом, разумеется, целесообразнее всего обратиться во Всесоюзный институт титана. Отвечает ведущий научный сотрудник, лауреат Государственной премии УССР в области науки и техники, кандидат технических наук В.В. Волынский: ”Если прежде перед нами стояла задача изучить возможности титана как народнохозяйственного материала, познакомить с металлом его потенциальных потребителей, убедить их обратить на новый материал пристальное внимание, расширить его области применения вообще, — рассказывает ученый, — то ныне, когда это уже допустимо, задача несколько изменилась. Теперь внедрение идет преимущественно в те отрасли, где титан наиболее пригоден или незаменим, где его использование позволяетдостичь максимального эффекта. Это прежде всего хлорсодержащие среды химической, целлюлозно-бумажной промышленности, гидрометаллургическое производство цветной металлургии, гальванотехника. Но во всех этих случаях используется только одно ценное свойство титана — высокая устойчивость против коррозии. А ведь титан — замечательный конструкционный материал, и в этом направлении, в деле использования металла для конструкций, испытывающих тяжелые механические нагрузки, работы еще непочатый край. Тем более, что XXVII съезд КПСС наметил курс на опережающее развитие машиностроения.

Титан — металл нашего времени. Его применение постоянно расширяется, и для многих целей он более перспективен, чем любые другие металлы. В конце 60-х годов производство титана в США и Японии — двух ведущих в этой области странах капиталистического мира — составляло ежегодно соответственно 20 и 10 тысяч тонн. Сегодня оно перешло рубеж 100 тысяч тонн.

К сожалению, наши разработчики серийных машин, механизмов, транспортных средств очень робко применяют титан, не учитывают его богатейших возможностей. И совершенно напрасно. Ведь как нужна прочная, облегченная, не боящаяся ни мороза, ни влаги техника для предприятий Севера, нефтяников Тюмени, развития Байкало-Амурской магистрали, для многих строек, еще только намечаемых! При ее изготовлении можно применять не только различные серийные сплавы, но и вторичный титан, производство которого следует развивать и развивать. Сплавы вторичного титана окажутся очень ценными, например, для создания железнодорожных вагонов, перевозящих поваренную соль, химические удобрения, пестициды и другие агрессивные вещества. Нужно только интенсивнее осваивать как выпуск таких сплавов, так и разработку из них истинно современного оборудования. Ведь именно сейчас партия настойчиво призывает нас к ускорению, перестройке, к строжайшей экономии и бережливости, к рациональному использованию металлов. Как же тут обойтись без такого экономичного, прогрессивного материала, как титан?!” К словам запорожского ученого можно только присоединиться.

В новой редакции Программы КПСС записано: "Необходимо укрепить потенциал и осуществить качественный сдвиг в металлургии, химии и в других отраслях тяжелой промышленности, производящих конструкционные материалы, постоянно расширять ассортимент, улучшать качество материалов, увеличивать выпуск их новых, наиболее экономичных и прогрессивных видов.” Титановые сплавы, разумеется, в самую первую очередь относятся к числу именно таких материалов. Развитие их производства тесно, напрямую связано с научно-техническим прогрессом. С другой стороны, широкое их распространение в народном хозяйстве способствует прогрессу техники, экономики, росту благосостояния. Научно-технический прогресс — главный рычаг интенсификации, решительного ускорения, коренной перестройки — всего того, чем сейчас занята наша страна.

Титан называют металлом будущего. Это, конечно, правильно. В будущем появятся новые области применения замечательного материала, люди создадут сплавы с еще более удивительными свойствами. Но ведь будущее начинается сегодня, будущее и настоящее не отделены непроходимой границей.

Титан уже давно стал материалом современности — ценным, важным и необходимым. Больше того, широкое, повсеместное его применение как раз и позволит скорее приблизить то светлое и прекрасное будущее, о котором мы все мечтаем.