9.3. Порошкова металургія

Порошкова металургія (металокераміка) – група технологічних методів виробництва металічних порошків та спечених виробів із них, а також із композицій металів із неметалами. Мета порошкової металургії – або створення матеріалів та виробів із них із такими властивостями, які не можна досягти методами плавки, або виготовлення матеріалів та виробів із звичайними властивостями за технологіями, які економічно більш вигідні, ніж технології, що базуються на литті.

Подібні методи, які обходились без процесів лиття, застосовувались ще в стародавні часи. У гробницях єгипетських фараонів та в стародавніх пам’ятниках культури індіанських племен були знайдені порошкоподібні дорогоцінні метали. Поставлена в Делі півтори тисячі років тому залізна колона (див. розділ 2.3.3) могла бути виготовлена спіканням у поєднанні з куванням із залізної криці (губки), відновленої з багатої залізної руди. Подібним способом виготовляли стальні вироби в стародавні часи на Київській Русі. Застосування цих давніх варіантів технології спікання спричинювалося необхідністю уникнути трудностей лиття такого тугоплавкого на той час металу, як залізо. Пізніше, коли була розвинута виплавка чавуну та сталі, спікання залізного порошку було на довгий час припинене.

Порошкова металургія в сучасній формі виникла в результаті досліджень російського інженера і вченого, члена-кореспондента Петербурзької АН Соболевського Петра Григоровича (1782 – 1841) та російського металурга Любарського Василя Васильовича (1795 – 1852), які в 1826 році розробили метод виробництва ковкої платини та виробів із неї. В Росії з такої платини стали чеканити монети (1828 р.). Через декілька десятиліть у зв’язку з розробленням методу плавлення чистої платини ця технологія була знову залишена.

Методи порошкової металургії знову набули важливого значення на початку ХХ століття у зв’язку з виникненням потреби виробництва проволоки для електричних лампочок із тугоплавкого вольфраму (т.пл. 3410 ^оС).

Зараз металокерамічні вироби використовуються у всіх галузях техніки, їх використання весь час поширюється й знаходить все нові області застосування.

9.4. Хімія неметалів

Азот – основний компонент повітря, де на його долю приходиться 78% від об’єму. Але більшість організмів використовують його лише у вигляді зв’язаних сполук, а молекулярний азот повітря практично інертний і дуже важко вступає в реакції. Саме тому, не зважаючи на те, що повітря багато і воно скрізь проникає, в грунті часто виникає нестача нітратів, найбільш поширених азотних сполук, яку доводиться постійно поповнювати. Величезна кількість сполук азоту використовується не лише в якості мінеральних добрив, а й для виготовлення вибухових речовин та пороху, фарбників і напівпродуктів органічного синтезу.

На початку ХХ століття потреба в сполуках азоту задовольнялася, в основному, природними покладами чилійської селітри. Але з початком першої світової війни англійський флот блокував Німеччину і припинив постачання її промисловості селітри з Чілі. Тому перед німецькими вченими постало термінове завдання створити промисловий спосіб одержання так необхідної для ведення війни азотної кислоти. І вже десь посередині війни було налагоджено промислове виробництво сполук азоту з повітря.

Початок науковим дослідженням із цієї проблеми поклали видатні вчені фізико-хіміки француз Анрі Луї Ле Шательє та німець Вільгельм Фрідріх Оствальд: перший в 1901 році спробував синтезувати амоніак із простих речовин, азоту та водню, а другий в 1902 році розробив спосіб каталітичного окиснення на платиновому каталізаторі амоніаку до NO. Останній легко окиснюється киснем повітря до NO₂, який у свою чергу, взаємодіючи з водою, утворює азотну кислоту. Слідом за ними німецький хімік Фріц Габер (1868 – 1934) зацікавився проблемою зв’язування азоту повітря. Він уже в 1908 році розробив метод синтезу амоніаку з водню та азоту за високим тиском та ще й високої температури в присутності каталізатора (заліза). І вже під час війни під керівництвом німецького хіміка – технолога Карла Боша (1874 – 1940) було налагоджене відповідне промислове виробництво, при цьому він установив причини вибухів аміачних колон (їх нагрівання до високої температури внаслідок високої екзотермічності реакції синтезу амоніаку) та запропонував безліч удосконалень апаратури.

На відміну від азоту, для якого довго не могли знайти промислову реакцію зв’язування, фтор довго не могли виділити у вільному стані. Проте ще з часів Лавуазьє хіміки знали про його існування. Так, Гмелін, Ньюлендс та Менделєєв включили фтор у свої періодичні таблиці (див. розділ 6), хоч до того часу цей газ ще ніхто не отримав, оскільки фтор – найактивніший з усіх хімічних елементів.

В ХІХ столітті проблемою виділення фтору займалось багато хіміків, розпочинаючи з Гемфрі Деві, але успіх випав на долю француза Анрі Муассана (1852 – 1907). Муассан вирішив, що позаяк платина належить до тих не багатьох речовин, на які фтор не діє, тоді не лишається нічого іншого, як виготовити все обладнання з платини, незважаючи на дороговизну. Крім того, щоб знизити активність фтору, він охолодив реакційну суміш до – 50 ^оС. Помістивши розчин фториду калію в плавиковій кислоті в спеціально виготовлену платинову посудину, Муассан пропустив через розчин електричний струм і, нарешті, в 1886 році виділив цей блідо-жовтий газ – фтор.

Але гучну популярність Муассану принесло не виділення фтору, а зовсім інша робота, яка, як виявилось пізніше, по суті була хибним, чи навіть фальшивим, відкриттям. Алмаз, як відомо, є алотропною формою вуглецю, на відміну від графіту він має лише більш компактне упакування атомів. Отож під дією високого тиску атоми деревного вугілля чи графіту можуть перегрупуватися й утворити алмаз. І Муассан спробував таким чином одержати алмаз: він розчинив деревне вугілля в розплавленому залізі, вилив отриману масу у воду, вважаючи, що різке охолодження змусить вуглець кристалізуватися у вигляді алмазу.

Приблизно в 1893 році Муассан отримав декілька найдрібніших кристалів чорного кольору, які вважав алмазами, та невеликий кристал хорошого алмазу довжиною біля 0,5 мм. Але ні він сам, ні його послідовники не змогли повторити цей дослід. Як ми тепер знаємо, в таких умовах алмази утворюватися не можуть, скоріше всього Муассан став жертвою містифікації – хтось із його асистентів підкинув алмази в залізо.

Американський винахідник Едвард Гудрич Ачесон (1856 – 1931) також пробував отримати алмази зі звичних форм вуглецю. Він не досяг мети, але, в 1890 році, нагріваючи вуглець із глиною при високих температурах, одержав надзвичайно твердий карбід кремнію, який назвав карборундом. Одержана речовина виявилась чудовим абразивним матеріалом.

Для одержання штучних алмазів потрібен надвисокий тиск, який не був доступний у ХІХ столітті. Розробив методи та апаратуру для отримання надвисоких тисків американський фізик Персі Вільямс Бріджмен, за що отримав в 1946 році Нобелівську премію. Лише надвисокий тиск у поєднанні з високими температурами дав, нарешті, можливість атомам вуглецю перебудовуватись у кристалічну структуру алмазу. Тому перші синтетичні алмази були синтезовані лише в 1955 році за методом Бріджмена.