Занимательно о железе

Появление самородных металлов на поверхности планеты и до сих пор одна из самых запутанных загадок природы. Геологи считают, что легче найти самородки золота или платины, чем чистое железо. Каждая такая находка считается сенсацией. В 1982 году экспедиция советских геологов в отрогах Кураминского хребта в Киргизии в магматической породе обнаружила самородный хром, рассыпанный мельчайшими шариками, а рядом — выделения самородного железа, когенита и муссанита — тоже редких минералов. Глубинное происхождение самородков подтверждено изотопным анализом. Самородки образовались на глубине около 60 километров и были вынесены наверх потоком магмы.

В природе есть еще два весьма редко встречающихся естественных железоникелевых сплава: аварюст (FeNi₂) и жозефенит (Fe₃Ni₅), которые найдены в виде гранул и мелкой гальки. Самородное железо встречается очень редко и потому практического значения не имеет. В отличие от метеоритного железа, всегда содержащего сравнительно много никеля, самородное имеет не более 2% никеля, иногда до 0,3% кобальта, около 0,4% меди и до 0,1% платины, оно обычно очень бедно углеродом.

Однако при известных условиях происходит и образование самородного чугуна, например вследствие контакта раскаленного углерода с железной рудой. В 1905 году геолог А.А. Иностранцев обнаружил в районе Русского острова на Дальнем Востоке небольшие пластообразные скопления самородного чугуна, находящегося на глубине 30–40 метров под скальными породами морского берега. В извлеченных через буровую скважину образцах чугуна оказалось около 3,2% углерода, 1,55% кремния и 0,66% марганца.

Образование самородного железа в земной коре связывают с процессами застывания магмы. Выделяется оно из окислов или сульфидов железа в результате восстановительных процессов, протекающих при наличии в магме углерода. Поэтому вместе с самородным железом находят минерал когенит — железоникелевый карбид (FeNiCO)₃C. По мнению А.А. Иностранцева, самородный чугун с Русского острова образовался в результате извержения огненно-жидкого потока горной породы — кварцевого порфира на поверхность обнаженных слоев каменного угля, среди которых имелось несколько слоев железной руды. В присутствии этой естественной шихты под влиянием высоких температур и без доступа воздуха произошло выделение из каменного угля углеводородов и оксида углерода. Эти соединения химически взаимодействовали со слоями железной руды, превращая их в массу чугуна. Какая же все-таки степень чистоты железа достигнута в наши дни? В наиболее чистом, карбонильном железе содержится всего 0,00016% примесей. Много ли это? В известной железной колонне в Дели, славящейся чистотой железа, примесей содержится 0,28000%, то есть в 1750 раз больше.

Кристалл Д.К.Чернова

Знаменитый русский металлург Д.К. Чернов — основоположник металловедения железа — занимался разработкой теории и строения стального слитка. С этой целью он собирал коллекцию железных кристаллов. Лишь редкие кристаллы, найденные им в слитках, достигали длины 5 миллиметров, большинство же имело длину до 3 миллиметров и ширину 1–1,5 миллиметра. Встречались иногда хорошо развитые кристаллы с очень тонкими очертаниями, но таких малых размеров, что четко они были видны только при увеличении в 100–150 раз.

Наиболее ценным в этой коллекции был знаменитый “кристалл Д.К. Чернова”. История этого уникального кристалла такова.

Капитан морской артиллерии Берсенев, посланный в Англию приемщиком на большой металлургический завод, нашел огромный кристалл в груде стального лома шихтового двора. Как удалось выяснить, кристалл вырос в стотонном слитке стали. Администрация завода охотно отдала кристалл Берсеневу, а тот подарил его своему учителю Чернову, который тщательно исследовал уникальный кристалл. Масса его оказалась 3 килограмма 450 граммов, длина 39 сантиметров, химический состав: 0,78% углерода, 0,255% кремния, 1,05% марганца, 97,86% железа.

Меньший отросток этого двойного кристалла, разрезанный на несколько частей, был всесторонне исследован не только Д.К. Черновым, но и другими металловедами. Кристалл послужил объектом для ряда дальнейших изысканий и научных докладов Чернова и других русских и иностранных ученых. Теперь он находится в Военно-инженерной академии им. Дзержинского в Москве.

И в наши дни находили кристаллы-гиганты. Однажды токарь металлургического комбината им. Серова, обрабатывая прокатный валок, увидел в усадочной раковине отливки огромный иссиня-черный металлический кристалл. Он напоминал по форме дерево с разветвленной кроной. Новый “кристалл Д.К. Чернова” был высотой около 400 миллиметров. Немного позже при обработке еще одного валка был обнаружен подобный же кристалл черного цвета.

Современное металловедение не ограничивается исследованием найденных кристаллов, а ищет способы их получения искусственным путем. К настоящему времени уже разработаны методы выращивания монокристаллов практически всех металлов и многих сплавов. Именно в монокристаллическом состоянии выявились новые свойства привычных нам металлов — железа, вольфрама, никеля, молибдена. Оказалось, что чистые монокристаллы обладают хорошими физическими свойствами. Например, монокристаллы железа высокой чистоты приобретают высокую пластичность вплоть до температур жидкого гелия (-269 °С).

Особенно привлекают внимание так называемые металлические усы — тончайшие нитевидные кристаллы, всего в несколько микронов толщиной, но с высокой прочностью. Путем восстановления из хлористого или бромистого железа были выращены усы этого металла длиной до 10 сантиметров и диаметром до 1 миллиметра. Предел прочности таких железных усов до 12–13 ГПа, в то время как сталь с прочностью на разрыв 1500–2000 МПа считается высокопрочной, а сталь с прочностью 2000 МПа сверхпрочной.

Нитевидные кристаллы железа обладают и другими интересными свойствами. Коэрцитивная сила их составляет 500 Э, в то время как у лучших магнитных сплавов 250 Э, а у чистого железа 1 Э. При окислении в потоке чистого кислорода за 100 минут на нитевидных кристаллах окисленный слой составляет 1 мкм, а у обычного железа за 20 минут слой в 4,5 мкм.

Рентгеноструктурный анализ помог разгадать причины чудесных свойств “усов” — это были бездефектные, “идеальные” монокристаллы чистого железа. Отсутствие дефектов в “усах” объяснялось особенностью их роста и малыми размерами. Они росли настолько быстро, что дефекты не успевали возникнуть: не хватало ни времени, ни места.

Прочность нитевидных кристаллов зависит от их размеров. Чтобы прочность была значительно выше обычной, необходимо использовать кристаллы диаметром менее 10 мкм. Эту зависимость доказали на примере нитевидных кристаллов железа.

Поэтому практически использовать огромную прочность усов можно пока только в особых случаях, если, например, изготовить пряжу или ткань для специальных целей. Однако роль монокристаллов в современной технике растет. Они находят все новые области применения.

Для специальных приборов и конструкций используются не только полуфабрикаты из металлических монокристаллов в виде ленты, прутков, проволоки, но и сами кристаллы. Это связано с рядом преимуществ монокристаллов тугоплавких металлов перед соответствующими поликристаллами: высокой пластичностью, совместимостью с различными средами (парами щелочных металлов, ядовитым горючим), устойчивостью против рекристаллизации вплоть до температур плавления, высокой стабильностью структуры и свойств при различных внешних воздействиях, высокой сопротивляемостью ползучести до температур плавления.

Так возникла идея изготовить изделие из целого кристалла. Например, прочностью и жаростойкостью турбинных лопаток определяются боевые качества самолетов и экономичность энергетических систем. В жаропрочных сплавах, из которых обычно отливают лопатки, самым уязвимым местом являются границы между зернами.