Порошковая металлургия в xix веке

Порошковая металлургия  в xix веке (часть 2)

            Перед русскими учеными  и инженерами была поставлена задача — разработать способ получения  ковкого металла, найти области  его применения, извлечь из нового металла максимальный доход. Вскоре эта задача была успешно решена — Россия стала во главе платинового дела и явилась родиной современной технологии порошковой металлургии. 

"Белый металл" (так часто в России называли  платину) впервые исследовал в  Екатеринбурге И. И. Варвинский. Но он еще не решался объявить  этот металл платиной. Тем не менее Варвинского следует считать первым исследователем отечественной платины. 

В 1823 г. исследование уральской платины проводилось  в Петербурге в Горном кадетском  корпусе В.  

В. Любарским. Он первый установил, что "загадочный сибирский металл" обладает некоторыми свойствами сырой платины, содержит "знатное количество" иридия (60%) и осмия (30%). Он исследовал также его минералогический состав и установил его полную аналогию с южно-американским осмистым иридием. Позднее (1824) профессор химии Петербургского университета И. Н. Соколов подтвердил выводы Любарского. 

Большой поборник платинового дела Н. Р. Мамышев писал: "Существование в Уральских  горах платины... ныне доказано несомненно. Она отыскана в них в немалом  количестве... но всякая вещь ценится только по той пользе, которую от нее получить надеются, и редкости подлежат тому же правилу". При его деятельном участии на Урале началось изучение сырья и были изготовлены первые платиновые изделия (1825). 

Уральский инженер  А. Н.Архипов при участии инженера Г. А. Иоссе и мастера В. Сысоева применил описанный в литературе метод Архарда— Жакетти. Этим методом он изготовил платиновую чернильницу, цепочку, пистолетную и ружейную полки и др. Вскоре выделка изделий этим методом была прекращена: зарубежный метод для широкого производства платиновых изделий оказался непригодным. Надо было изыскивать новый способ» 

Последнее слово  в деле использования уральской  платины, как показало время, было сказано  в Петербурге П. Г. Соболевским (1782—1841). 

В 1825 г. Горный департамент  поручил П. Г. Соболевскому, "известному своими знаниями", организовать лабораторию, а затем возглавить исследования по изучению платины и изыскать сферу  ее использования. Эта лаборатория  была создана в здании Горного  кадетского корпуса и явилась первым в России химико-металлургическим научным центром. 

Сотрудниками  Соболевского были химик В. В. Любарский  и мастер В. Сысоев, ранее работавший на Урале в лаборатории Архипова. 

П. Г. Соболевский  к этому времени был уже  хорошо известен в научных кругах. Его ценили за большой и разносторонний практический опыт и глубокие теоретические знания, умение успешно осуществлять на практике результаты своих научных и инженерных замыслов.

Это был широко образованный инженер и ученый, деятельный организатор науки и производства, крупный общественный деятель. Он успешно работал в области осветительной техники, черной и цветной металлургии, химической технологии, конструирования машин и судов и т.п. Соболевский создал новый прибор — термоламп для газового освещения и отопления (1811), применявшийся в Петербурге и на Урале, где он длительное время (1811 — 1825) работал на заводах (Пыжва, Воткинск). Здесь он впервые в нашей стране внедрил в отечественную металлургию пудлинговый передел чугуна (1816), соорудил первый на Волге и Каме пароход (1817). Позднее, в 30-х годах, возвращаясь к идее интенсификации металлургического процесса, Соболевский (после длительных заводских опытов) составил мемуар на актуальную для того времени научно-техническую проблему — применение горячего дутья в доменных печах.  

Мемуар был  заслушан на общем собрании Академии наук и получил высокую оценку ученых. Соболевский участвовал в  двух важных работах, проводимые совместно  с академиком Петербургской академии наук Б. С. Якоби (1801 — 1874), — сооружении электрохода и испытании его на Неве (1838) и создании знаменитого способа гальваностегии, 

Наряду с академиками  Петербургской академии наук физиком  Э. Х. Ленцем (1804—1865), математиком М. В. Остроградским (1801-1861), физиком А. Я. Купфером (1799-1865), чл. кор. Петербургской академии наук П. Л. Шиллингом и почетным членом Петербургской академии наук И. Ф. Крузенштерном (1770—1864) Соболевский ряд лет работал в научно-технических комитетах по электромагнетизму и подводному плаванию. Он участвовал в составлении новой химической номенклатуры вместе с Г. И. Гессом и профессорами С. А. Нечаевым и М. Ф. Соловьевым. 

Из краткого обзора круга научных интересов  Соболевского с совершенной ясностью выступают его замечательные  качества: обширный ум, способность к упорному труду, умение быстро откликаться на все новое, прогрессивное; он всегда был в курсе важных событий науки и техники. Во всех своих изысканиях Соболевский подчеркивал, что ценность, научного поиска или открытия прежде всего определяется его практической целесообразностью и достигаемой им экономией. "Опыт — лучший критерий любых научных прогнозов", — подчеркивал Соболевский. Все эти качества привлекали к Соболевскому видных ученых, с которыми он постоянно общался. 

Прослеживая творческий путь Соболевского, отметим, что стиль его инженерной деятельности, характер его научного мышления следуют лучшим традициям передовых деятелей отечественной науки, и прежде всего М. В. Ломоносова. 

Соболевский долгие годы был бессменным секретарем Вольного экономического общества, избирался иностранным членом зарубежных научных организаций, представлял русскую науку на съезде ученых-естествоиспытателей в Германии, где выступил с докладом об открытом им способе переработки платины (1834). 

Признанием его научных заслуг явилось избрание его членом-корреспондентом Петербургской академии наук (1830). 

Перед началом  своих исследований П. Г. Соболевский с участием В.В. Любарского обратился к опыту прошлого. Особое внимание они уделили изучению трудов М. В. Ломоносова, в которых нашли отражение идеи о производстве порошков и применении их в практике. Были подвергнуты экспериментальной проверке работы предшественников — А. А. Мусина-Пушкина, А. Н. Архипова, Г. А. Иоссе и др. Много времени было затрачено на проверку экспериментов зарубежных авторов, в первую очередь способа Архарда—Жанетти. О недостатках этого наиболее распространенного тогда способа Соболевский говорил: "Продолжительность сего способа, требовавшего несколько дней на выжигание фунтового сплава платины, крайний вред, могущий последовать от мышьяковых испарений как для работающих, так и для живущих в соседстве, и вместе с тем надежность способа сего, ибо при всем старании нашем и усердии мастерового Сысоева не мог он выделить годного куска платины больше 28 золотников, — все сие неверное средство и стараться изыскать другое, более надежное.  

Старания наши не были тщетны". 

Соболевский изыскал  принципиально иные пути создания нового способа. После длительного времени  опыты Соболевского и его сотрудников увенчались успехом, и исследователи "зрели себя счастливыми". 

Новый способ состоял  из следующих операций: порошки платины, полученные прокаливанием хлорплатината  аммония, прессовались в цилиндрические заготовки, которые после спекания подвергались горячей обработке давлением. 

Сам Соболевский  описывает технологию этого процесса следующим образом: "... очищенную  платину в губчатом виде набиваем мы, холодную, весьма плотно в толстую  железную кольцеобразную форму произвольной величины, сдавливаем ею сильным натиском винтового пресса и, вынув из формы, получаем плотный кружок, имеющий металлический блеск". 

Успех Соболевского и его сотрудников поставил Россию во главе платинового дела. 

Как специалист широкого профиля Соболевский, по всей вероятности, был знаком со многими смежными науками, в том числе и с технологией древнего производства керамических материалов. Основные приемы процесса керамического производства состоят из следующих операций: 

а) обработка  сырья (измельчение);  

б) приготовление  массы, смешение составных частей;  

в) формование (прессование) изделий;  

г) термическая  обработка (обжиг).  

При обжиге происходит разложение гипсового вещества, повышаются прочность и химическая стойкость  заготовки, образуется монолитное изделие (процесс спекания). 

По мнению Соболевского, этот процесс еще не мог обеспечить полного уплотнения порошкового  тела. Поэтому при разработке беспористых  материалов кроме принятых в керамической технологии операций Соболевский применил существенно новый процесс —  горячее прессование холоднопрессованных заготовок (процесс, получивший всеобщее признание в наши дни). 

Новый способ отличался  от способа Воллостона, который стал известен только в 1829 г., т.е. через три года после открытия способа Соболевского (1826) и спустя два года после его обстоятельного публичного доклада в России (1827). 

Химическая часть  обоих методов во многом совпадала, но металлургическая была принципиально  различна: Соболевский прессование  платиновой губки проводил на холоду и полученные брикеты прокаливал, Воллостон прессовал ее в горячем состоянии (это представляло большие трудности) . В своем докладе Соболевский подчеркивал значение различия этих операций. 

Как видим, в  двух методах, разработанных в разных странах в разное время, имелось  что-то общее, но каждое открытие, как известно, связывается с именами тех, кто первым описал его, кто больше всего сделал для его развития и внедрения в практику.  

Именно поэтому  общепризнано, что современный метод  порошковой металлургии создан в  Петербурге. 

В 1828 г. в России была создана новая отрасль промышленности: аффинаж платины и массовая чеканка монет. На Соболевского было возложено руководство "всем, что относится до успешного производства работ", т.е. аффинаж платины, получение ковкого металла, чеканка монет. В 1844 г. чеканка монет была прекращена вследствие опасения правительства о возможной подделке монет. Всего за 17 лет (1827—1844) было выпущено монет на 4 251 843 руб. Об успехах техники чеканки российских монет стало известно за пределами страны. Колумбия, например, пыталась последовать русскому опыту и внимательно следила за распространением платиновых монет. 

Выражая "восхищение... всех знатоков монет", всемирно известный  ученый А. Гумбольдт (1769-1859) особенно подчеркивал  заслуги автора нового метода: "Столь замечательно выполненные монеты... показывают, что в Петербурге более чем где-либо сумели преодолеть технические трудности, связанные с очисткой и обработкой платины. 

Эти заслуги  отмечены и другими учеными, государственными деятелями. Так, член-корреспондент Петербургской академии наук физик Н. П. Щеглов (1793—1831) писал: "Все почти европейские знаменитости химии в течение семидесяти лет старались найти простейший способ отделить чистую платину от сопровождающих ее обыкновенно в природе других минералов и приводить в ковкое состояние, но доселе усилия их были безуспешны". Он отмечал, что найден "такой способ, при котором, кроме горна, винтового пресса и ничтожного количества углей, ничего не нужно и которым в час получается большой кусок платины, совершенно готовый для изделия и совершенно чистый, тогда как очищенная иностранцами платина всегда содержит остаток мышьяка...". 

"Всей Европе  известно, — писал Г. И. Гесс, — что вся уральская платина обрабатывается в лаборатории Горного корпуса... Способ господина Соболевского отличается перед прочими своей простотой...". 

"Ему [П.  Г. Соболевскому] обязана Россия  за введение искусственно очищать  и обрабатывать платину" (управляющий  Горным департаментом). Оценивая заслуги Соболевского, правительство в 1829 г. назначило ему сверх жалованья годовой оклад 2500 руб., "доколе на службе пребывает". 

"... Сим изобретением  Соболевский принес существенную  пользу России, доказав на опыте  обширные сведения свои в науках... Но заслуги его сим не ограничивались" (из письма министра финансов). 

Наиболее высокую  оценку работам П.  

Г. Соболевского дал А. Гумбольдт, назвав Соболевского "одним из первых инженеров в  Европе". 

Открытие Соболевского явилось важным событием в научной жизни 20—40-х годов XIX в. "Обретение платины в пределах России, — говорил Соболевский на съезде в Германии, — составляет замечательную эпоху в истории сего металла". Сообщения об открытии Соболевским помещались тогда в известных иностранных журналах: в "Ежегодных сообщениях" Й. Я. Берцелиуса (1834), в "Анналах" И. К. Поггендорфа и Ю. Либиха (1834—1835). И в наше время в зарубежных изданиях появляются сообщения об этом открытии. "... Чеканка платиновых монет по методу Соболевского была первым промышленным применением высокотемпературного спекания предварительно спрессованных порошков" (Г. Смит, 1942) . "... Платиновые монеты, изготовленные в России монетным двором, являются первым промышленным применением порошковой металлургии" (Р. Киффер, В. Готоп, 1943) . Недавно в одном из журнальных обзоров по истории платинового дела Соболевский был упомянут как создатель современного метода порошковой металлургии (1980). Его заслуги перед наукой отмечались на юбилейных заседаниях, посвященных открытию этого метода (1977) и 200-летию со дня рождения ученого (1982). Памяти Соболевского посвящена одна из первых советских монографий по порошковой металлургии. 

Таким образом, разработанный в XIX в, П. Г. Соболевским  способ, принципиально ничем не отличающийся от современных методов получения компактных изделий, положил начало развитию ряда направлений порошковой металлургии, используемых в тех отраслях техники, где изготовляются порошковые материалы. 

Начальный этап, непосредственно связанный с  созданием метода порошковой металлургии, относится к периоду от открытия в России первых платиновых месторождений до химико-металлургического исследования их в Петербурге (1819—1826); следующий этап — от времени создания нового метода обработки платины (метод порошковой металлургии) до прекращения выпуска платиновых монет (1826—1844). Дальнейший период (от 40-х годов до конца XIX в.) характеризуется заметным сокращением добычи платины, сокращением спроса на металл и почти полным прекращением выпуска изделий новым способом. 

Существенным  фактором, повлиявшим на сокращение использования  метода порошковой металлургии, явилось  создание печей с кислородно-водородным пламенем, с температурой, обеспечивающей плавление платины (А. Э. Сент-Клер Девиль, 1859). 

Среди современных методов получения порошков цветных металлов большой известностью пользуется предложенный в XIX в. академиком Петербургской академии наук Н.  

Н. Бекетовым  метод вытеснения одних элементов  другими из соединений, получивший глубокое научное освещение в защищенной им в 1865 г. докторской диссертации "Исследования над явлениями вытеснения одних элементов другими". 

Именно таким  путем, нагревая смесь двойной соли с магнием в вакууме, получают теперь порошковый бериллий; титан, вытесняя его натрием, магнием или гидридом натрия в атмосфере водорода при 750— 1000°С; цирконий — восстановлением К22гР6, 2гС12 или 2г02 натрием или восстановлением 2г02 смесью натрия и кальция; торий — восстановлением смесью кальция и натрия или кальцием в присутствии хлористого кальция; ниобий — восстановлением комплексного фторида натрием; тантал — восстановлением алюминием или кальцием в смеси с СаСL2 и МаСL; уран — восстановлением 11308 магнием и натрием в атмосфере углекислоты или восстановлением из хлорида урана натрием в вакууме; широкое развитие в нашей стране получило образование вдетого порошка железа восстановлением его оксидов кальцием и т.д. 

Яркая фигура Н. Н. Бекетова, видного и разностороннего  ученого, может быть поставлена в  ряд с корифеями отечественной  науки. Его научные идеи вносят крупный вклад в мировую химическую науку и являются важной вехой в истории порошковой металлургии. 

Н. Н, Бекетов (1827-1911) после окончания в Петербурге гимназии (1844) поступил в Петербургский  университет (разряд естественных наук), а затем перевелся в Казанский университет (1846), который окончил с квалификацией химика (1848). 

Магистерскую  диссертацию "О некоторых новых  случаях сочетания и общие  замечания об этих явлениях" он выполнил под руководством академика Петербургской  академии наук Н. Н. Зинина (1812—1880) и успешно шцитил ее в 1853 г. Далее в течение двух лет состоял ассистентом кафедры химии и технологии Петербургского университета, а в 1855 г. был избран экстраординарным профессором Харьковского университета. В 1865 г. Бекетов блестяще защитил докторскую диссертацию, которая послужила началом серии исследований на ту же тему. 

Вскоре он был  назначен ординарным профессором, в 1877 г. избран членом-корреспондентом Петербургской академии наук, а в 1886 г. — академиком. Его научно-преподавательская деятельность в Харьковском университете продолжалась 30 лет. За эти годы он создал крупную научную школу физикохимиков, широко известную в России и за ее пределами, выполнил важнейшие исследования, посвященные химическому сродству, термохимии, вытеснению одних элементов другими из их химических соединений, вопросам химических равновесий, по существу, приведшие его к открытию закона действующих масс и вошедшие в золотой фонд науки. 

В Харьковском  университете впервые в мире Бекетов  начал читать курс физической химии (1864). 

Метод алюминотермии  предложен Бекетовым на основе его  теоретических представлений о  механизме вытеснения одних элементов  другими (1859).  

Эта важная идея получила экспериментальное подтверждение: в результате взаимодействия алюминия и окиси бария был получен сплав бария с алюминием. "Как легко восстановляется глиний барием, — писал Бекетов, — также легко, в свою очередь, и глиний восстановляется магнием из фтористого соединения, в чем я также убедился особенным опытом". Эти выводы были распространены Бекетовым и на случай восстановления алюминием калия из его окиси. 

Приведенные данные убедительно свидетельствуют, что  осуществленное в 90-х годах Г. Гольдшмидтом якобы открытие процесса алюмотермии  явилось лишь повторением того, что было сделано русским ученым Бекетовым за сорок лет до этого. 

Метод алюминотермии, широко используемый для получения  разнообразных металлов, ферросплавов и лигатур цветных и редких металлов, широко применяется также  при термитной сварке рельсов, труб и других изделий. 

Основополагающим  принципом алюмотермии, как это  утверждал Бекетов, является условие, при котором соединение алюминия или другого восстанавливающего металла с кислородом сопровождается значительно большим выделением тепла, чем окисление вытесняемого металла. 

Научные идеи Бекетова и его знаменитое открытие оказали  большое влияние на изготовление и применение металлических порошков. Так, свинцовый порошок использовался  в "топливном элементе" (П. Н. Яблочков, 1880), в аккумуляторах (Д. А. Лочинов, 1881); железный порошок — в органическом и неорганическом синтезах в качестве восстановителя и катализатора; железный порошок нашел также применение при создании первого знаменитого радиоприбора (А. С. Попов, 1895). 

Перечисленные примеры свидетельствуют лишь об эпизодическом использовании металлических порошков во второй половине XIX в., причем в малом объеме, не идущем в сравнение с объемом использования платинового порошка в первой половине XIX в. По нашему мнению, роль Бекетова в истории порошковой металлургии как видного ученого-теоретика и экспериментатора может быть сопоставлена с ролью Соболевского. 

Для порошковой металлургии, как и для некоторых  других отраслей техники, характерен процесс  многоэтапного развития, когда процветание  сменялось упадком и даже полным забвением. Так это происходило при смене кричного способа производства железа более производительным и экономичным в то время процессом получения чугуна и переработкой его в сталь в результате мартеновского и конверторного передела (рубеж XVII и XVIII вв.); так это было и во второй половине XIX в. при появлении плавильных устройств, обеспечивающих получение платиновых изделий уже не методом порошковой металлургии, а плавкой. 

Прослеживая путь развития порошковой металлургии, следует отметить, что периоды возрождения и подъема ее всегда соответствовали уровню производительных сил, обусловлены запросами практики.  

Так, на рубеже XIX и XX вв. фактором, стимулирующим возрождение  порошковой металлургии, явились требования быстро развивавшейся в то время электротехники: электроламповой промышленности, нуждавшейся в тугоплавких материалах для нитей накаливания; электромашиностроения, где нашли применение медно-графитовые щетки для динамо-машин и электромоторов и др. Эти изделия и сейчас изготавливаются методом порошковой металлургии. 

История науки  и техники XIX в. характеризуется многими  крупными открытиями и изобретениями, а его вторая половина — началом  научно-технической революции. К  этому времени на фоне фундаментальных  успехов в главных направлениях естественных и технических наук относится новый этап подъема порошковой металлургии — формирование ее как самостоятельной отрасли новой техники, открывшей широкие возможности для решения многих актуальных проблем материаловедения, и в первую очередь синтеза новых уникальных материалов и изделий с заранее жданным комплексом свойств. 

Являясь пограничной  областью технического знания, порошковая металлургия использует достижения физики твердого тела, физической химии, механики материалов, а также новые высокопроизводительные и автоматизированные средства исследования и промышленного производства. Благодаря этому за последние десятилетия научно-техническая мысль в области порошковой металлургии достигла высокого уровня и обеспечивает прогресс во многих областях современной техники.