Чтобы разобраться, в чем тут причина, заглянем в кристаллическую структуру сплавов.
Когда сплав находится в жидком состоянии, нам ясно: молекулы одного металла находятся между молекулами другого в хаотическом общем движении.
Но вот сплав застывает. Атомы начинают образовывать кристаллы.
И оказывается, что в таком растворе атомы растворенного металла просто-напросто становятся на места атомов растворителя в образуемой ими кристаллической решетке.
Сплав внедрения.
Но так происходит только в тех случаях, когда величины атомов растворенного металла и металла-растворителя близки по размерам, не отличаются друг от друга диаметром, скажем, больше чем на 15 процентов. Такие сплавы и называют твердыми растворами замещения.
Таких сплавов современная металлургия знает множество. К ним относятся сплавы железа с хромом и никелем, кобальта с железом, меди с никелем.
Наши монеты, которые мы называем никелевыми, в действительности представляют собой раствор меди в никеле. Медь добавляется, чтобы монета меньше истиралась, изнашивалась. Медные монеты — тоже раствор, но уже алюминия в меди. Качество такого сплава также лучше, чем чистой меди.
В тех случаях, когда в металле со сравнительно крупными атомами растворяется вещество со значительно меньшими атомами, последние внедряются в кристаллическую решетку металла-растворителя на свободные места. Так же в ящике, в котором уложены крупные футбольные мячи, может между ними разместиться значительное количество крохотных мячиков для настольного тенниса. Такие сплавы называются растворами внедрения. К этому виду сплавов относится, например, сплав железа с азотом.
Иногда компоненты сплава вступают между собой в химическую реакцию. Таков, например, сплав вольфрама с углеродом. В этом сплаве возникает новое химическое вещество — кристаллы карбида вольфрама— со своими собственными и химическими и физическими свойствами. Оно образует с остальным металлом сплава механическую смесь.
Таким образом, один и тот же сплав может сочетать в себе и механическую смесь элементов и химическое соединение их — раствор друг в друге. Причем не только состав определяет ту или другую форму состояния сплава, но и то, как происходила его кристаллизация, каким термообработкам он был подвергнут, и так далее.
Вот почему не сразу можно ответить на вопрос, что же такое представляют собой сплавы. Вот почему требуются дополнительные конкретные данные.
Сплавов, применяемых в технике и промышленности, сегодня огромное количество.
Мы уже говорили, что сплавами железа с углеродом является все то, что мы в общежитии называем железом, чугуном сталью.
Бронзы — это сплавы меди с оловом, или алюминием, или свинцом.
Латуни — это сплавы меди с цинком.
Твердые сплавы, которыми токари-скоростники режут металл, — также сплавы вольфрама, углерода, кобальта.
Спиралька вашей электроплитки — это тоже сплав никеля с хромом.
И так далее и так далее.
Как и металлы, сплавы также объединяют нередко в своеобразные семейства. Так, существуют семейства легких, антифрикционных, магнитных, проводниковых, типографских сплавов, сплавов с высоким электрическим сопротивлением… Со многими из них нам еще придется встречаться.
А теперь поговорим и о чистых металлах.
Изгнание примесей
Что же они, дающие жизнь гигантским семействам сплавов, ничем и не могут быть полезны человеку в чистом виде? Если уже первобытные металлурги предпочитали сплав меди с оловом чистым меди й олову то, наверное, нам вообще не могут быть полезны чистые металлы?
Едва ли прошло больше пятнадцати лет с того времени, когда о сверхчистых металлах не имели понятия. Знали только технически чистые металлы, содержащие примесей не больше 0,5–0,05 процента, и химически чистые, не содержащие больше 0,001 процента примесей. Почти не учитывалось при оценке чистоты металла наличие растворенных в нем газов. Ученые едва догадывались о том, какое гигантское влияние могут оказывать на некоторые свойства веществ примеси, находящиеся в буквально микроскопических количествах, как изменяет качества металла растворенный в нем тот или иной газ.
Требования на сверхчистые металлы были выдвинуты развитием новых отраслей техники — атомной энергетикой, использованием полупроводников, производством жаропрочных материалов.
…Уран. Взрывается — физики говорят: расщепляется — его ядро. В разные стороны разлетаются два нейтрона — два снаряда, способных вызвать расщепление еще двух ядер урана, по… нейтроны попадают в ядра примесей — бора и лития и исчезают там, поглощенные этими ядрами. Реакция прекратилась.
— Нам нужен уран, — говорят инженеры, проектирующие атомные электростанции, — в котором примесь бора не превышала бы 0,000001 процента!
— Нам нужен германий, — требуют физики, работающие над созданием полупроводниковых приборов, — в котором примеси меди не достигали бы и 0,0000001 процента. Да и вообще примеси очень нежелательны. Надо, чтобы германия было в нашем германии не меньше 99,99999 процента!
«Семь девяток», — говорят о такой чистоте инженеры.
Сегодня такие сверхчистые металлы производятся уже в промышленных масштабах. И чем больше знакомятся с ними ученые и инженеры, тем больше открывают совершенно удивительных качеств. Оказывается, что многие сверхчистые металлы обладают повышенной пластичностью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью, электропроводностью. Сверхчистый алюминий мягок, как свинец. Освобожденный от примесей титан, который считали хрупким, прокатывается в листы и ленты. Оказалось, что даже самые неуловимые примеси в очень значительной мере ухудшают иные очень важные свойства металлов.
И началась борьба за чистый металл. Началась она в лабораториях и кабинетах ученых, затем перешла на опытные полупромышленные установки. А сегодня борьба за чистый металл идет уже в цехах заводов.
Техника сверхчистых металлов поставила целый ряд новых вопросов. Вот только один из них: как определить, какова чистота полученного металла? Химический анализ слишком груб для таких неуловимых количеств. Пытаться определить миллионную долю процента примеси в составе сверхчистого германия методами химического анализа — все равно что стараться выколоть левый глаз комару кухонным косарем. Даже спектральный анализ, поражавший некогда своей фантастической чувствительностью, отказывает, когда речь идет о «седьмой девятке». Пришлось разработать принципиально новые методы.
Делают, например, так. Полученный сверхчистый металл облучают нейтронами. Атомы примесей становятся радиоактивными и сообщают о себе. По величине этой радиоактивности и судят о количестве примесей.
Можно узнать количество примесей и по собственным свойствам германия. Если они удовлетворяют требованиям, значит, очистка произведена достаточно хорошо, значит, выдержано нужное количество «девяток» чистого металла.
И к каким только уловкам не прибегают, чтобы получить чистый металл!
Тщательнейшим образом очищают исходные материалы, ведут плавку в вакууме, стараются, чтобы расплавленный материал не соприкасался со стенками печи, с огнеупорными материалами… И так далее и тому подобное.
Существует и целый ряд специальных технологических процессов, применяемых для очистки металла.
Вот как, например, получают сверхчистые цирконий и титан.
Аппарат для этой цели представляет собой большой металлический бочонок, герметически закрываемый металлической же крышкой. Сквозь эту крышку внутрь бочонка проходят два провода и специальное устройство, с помощью которого можно разбить опускаемую в бочонок ампулу с йодом.
В аппарат загружают технически чистые титан или цирконий и наглухо закрывают крышку. Затем из аппарата откачивают весь воздух, создавая там разрежение в одну стотысячную атмосферного.
После этого ампулу с йодом разбивают. Агрессивнейший элемент — йод — вступает в реакцию с очищаемым металлом, образуя химические вещества, называемые йодидами.
