Метали

Метали — це прості речовини, яким притаманні за звичайних умов характерні властивості: висока електро- і теплопровідність, пластичність, ковкість тощо. У твердому стані вони мають крис­талічну будову.

Знайомство людини з деякими металами, наприклад із зо­лотом, сріблом, міддю, оловом, свинцем, залізом, ртуттю, роз­почалося ще в далекій давнині. У міру їхнього використання й вивчення була складена класифікація. Згідно із нею, метали поділяють на чорні (залізо й сплави на його основі) і кольорові (мідь, цинк, свинець, олово, нікель тощо). Кольорові метали,

164

у свою чергу, поділяють на важкі, з густиною, більшою ніж у за­ліза (мідь, ртуть, олово тощо), легкі (алюміній, магній, берилій, літій), благородні {золото, срібло, платина) та рідкісні (ванадій, вольфрам, молібден, тантал тощо).

Серед найважливіших для сучасної техніки металів найпо­ширенішими в природі є алюміній (8,8 %), залізо (5,1 %), магній (2,1 %) і титан (0,6 %). їх виплавляють із руд, у чистому вигляді вони в природі не зустрічаються. Самородні, тобто чисті метали, наприклад золото, у природі зустрічаються дуже рідко.

Руда — це суміш різних мінералів, один або два з яких — ме­тали. Руду добувають і готують до переробки гірничодобувні підприємства. Так, залізорудні родовища розробляють двома способами. Якщо руда залягає глибоко — то в шахтах, якщо близько до поверхні — то так званим відкритим способом, тобто в кар'єрах.

Руда містить не тільки метали, але й порожню (мертву) по­роду (непотрібні для промисловості домішки). Залізну руду вва­жають багатою, якщо частка заліза в ній становить ЗО—50%. Покладів таких руд на Землі дуже багато.

Слід зазначити, що великі родовища руд кольорових металів зустрічаються значно рідше. До багатих, наприклад, відносять руду, в якій міститься всього 3—5 % чистої міді. Проте видобуток руд кольорових металів надзвичайно вигідний.

Добуту руду збагачують — відокремлюють порожню породу. Спочатку руду подрібнюють у спеціальних млинах. Причому, чим біднішою є руда, тим дорожча її первинна обробка або збагачення. Бідна руда потребує особливо ретельного подрібнення, деякі руди доводиться перетирати майже в пил. Потім руду промивають водою або хімічними розчинами. Утворену суміш продувають повітрям, щоб відокремити від неї багаті метали, а отже, більш важкі компоненти. Цю операцію називають сепарацією (латин. верагаііо — відокремлюю). Для відокремлення заліза використо­вують магніти. Кольорові метали з руди виділяють за допомогою хімічних, електрохімічних та гідрохімічних методів. При цьому для кожного металу використовують свою технологію. У ре­зультаті попередньої обробки одержують концентрат із високим вмістом металу. Але це ще не готовий, чистий метал, а тільки сировина для його виготовлення.

Наприклад, основним етапом виробництва заліза та його спла­вів є доменна переробка. Концентрат залізної руди розплавляють

165

у величезних печах (домнах) і одержують чавун. Чавун після цього надходить на металургійні заводи, де його й перетворю­ють на сталь. Сталь варять із чавуну в суміші з металобрухтом. Сталь різних марок відрізняється за складом, а отже, за хіміч­ними та фізичними властивостями. Наприклад, додавання до заліза нікелю дає іржостійку сталь. Спеціальну сталь, з осо­бливими фізичними та хімічними властивостями, виплавляють в електричних печах за складними технологіями. Сталь і сплави на основі заліза, отримані цими способами, містять мінімальну кількість домішок.

Хімічні матеріали

Штучні матеріали, полімери, потрібні сучасній людині не менше, ніж метали. Пластмаси легкі, не іржавіють, а голо­вне — дуже зручні в обробці: їм не складно надати потрібної форми, забарвлення, зробити поверхню гладенькою, шорстку­ватою або ребристою, нанести будь-який рисунок.

Переваги пластичних матеріалів настільки очевидні, що вони поступово стали заміняти й навіть витісняти метали. Учені ство­рюють нові, дешеві у виробництві пластмаси, що не поступа­ються, а часто багаторазово перевершують метали за фізичними й хімічними властивостями. Одне з останніх досягнень — полі­мери найвищої міцності, здатні витримувати дуже високі й дуже низькі температури, стійкі до впливу найбільш їдких хімічних речовин. Сировиною для виробництва штучних матеріалів слу­жать вуглеводні різного хімічного складу. Так називають при­родні речовини, що містять вуглець (нафта, газ, кам'яне вугілля). Нафту й природний газ добувають зі свердловин. Люди навчилися бурити свердловини не тільки на землі, але й у морях, де бурові установки розміщують на стаціонарних і плавучих платформах. Коли такі платформи з'єднують мостами-переходами, утворю­ються цілі містечка на палях.

Добуту сировину переробляють на хімічних підприємствах у пластичні матеріали у вигляді порошків або гранул. Потім із них за допомогою пресів та іншого устаткування виробляють листи, труби, стрижні, волокна або плівки для різних технічних пристроїв.

Скло й кераміка

Багато матеріалів виготовляють на основі силікатів (латин. зііех — силіцій) — окису силіцій оксиду, з якого майже повністю

166

складається звичайний пісок. Якщо в пісок додати солі металів і все це переплавити, то вийде скляна маса. Із гарячого рідкого скла видувають балони електричних лампочок, пляшки й тонкий хімічний посуд. Із густої скляної маси відливають або штампують більш грубі вироби, наприклад електричні ізолятори. З неї ви­робляють навіть заготовки будівельних деталей (труб, скляних панелей та шибок). Для цього скляну масу продавлюють крізь щілини потрібної ширини, а потім прокочують між валиками.

Отримане скло відрізняється за оптичними, хімічними та ін­шими властивостями. У техніці широко застосовують кварцове скло: воно чудово пропускає ультрафіолетові промені й не тріс­кається при різкій зміні температури. Рідке скло (знайомий багатьом силікатний клей) використовують у будівництві для гідроізоляції. Коли в 1929 році радянським майстрам удалося налагодити виробництво особливо прозорого оптичного скла, це стало визначною подією в розвитку вітчизняної техніки, тому що до названого року артилерійські та авіаційні приціли, бі­ноклі й підзорні труби, фотоапарати доводилося завозити з-за кордону.

Із силікатів виготовляють і сучасні керамічні матеріали. Найпоширеніша сировина для них — звичайна глина. М'яка й пластична, вона легко набуває будь-якої форми, а після випалу стає міцною керамікою. Цегла із червоної глини та керамічні труби необхідні в будівництві, з білої керамічної маси (порцеляни й фаянсу) виробляють посуд, сантехніку, ізолятори. Кераміку більш складної структури застосовують в електроніці, ракетній техніці й навіть в оборонній промисловості: з неї виготовляють елементи броні військових машин.

Алмази в техніці

Алмаз — найтвердіший мінерал на Землі. Недарма його назва походить від грецького слова анатаз — нездоланний. За допо­могою алмаза ріжуть і шліфують будь-які найтвердіші матері­али.

Це дуже рідкісний камінь (річний видобуток поміститься в од­ній вантажівці) і на світовому ринку коштує набагато дорожче, ніж золото. З давніх-давен ограновані алмази — діаманти — вра­жали й вабили людей своїм чудовим блиском та ідеальною про­зорістю. Великі діаманти прикрашали корони імператорів і ца­рів, їхні трони та вбрання. Такі діаманти вважали символами багатства й влади.

167

Однак ювелірні прикраси можна виробляти приблизно з п'ятої частини всіх алмазів, що добуваються. Основне призначення ко­штовного каміння, як не дивно, технічне. Уже в Стародавньому Єгипті люди навчилися виготовляти з нього дуже міцні інстру­менти. З їхньою допомогою майстри вирізали рисунки навіть на граніті. Зараз алмазами обробляють деталі з високою точністю, одержують прекрасну якість їхньої поверхні, тому довговічність машин і механізмів збільшується. Наприклад, коли тертьові частини автомобільного двигуна стали шліфувати алмазними, а не абразивними кругами, пробіг машини значно збільшився. На алмазних кругах почали заточувати твердосплавні інстру­менти (свердла, різці), і їхня міцність зросла більш ніж у десять разів, тому що при обробці алмазами на поверхні не залишається дефектів, які призводять до швидкого руйнування інструмента. Верстати з алмазними різцями працюють без налагодження й ре­гулювання в десятки й сотні разів довше, ніж зі звичайними.

Про особливу міцність цього каменю свідчить і такий факт. Алмазним склорізом із кристалом усього в один карат (200 мг) молена провести на склі подряпину завдовжки майже 400 тис. кілометрів — це відстань від Землі до Місяця.

Алмазними долотами бурять глибокі свердловини у твердих породах. Свердла з ріжучою алмазною кромкою свердлять бетон у 8 разів швидше, ніж твердосплавні, та слугують приблизно в 90 разів довше. Незамінним є алмазний інструмент при обробці каменю та скла.

У виробництві найтоншого, діаметром близько 0,01 міліме­тра, вольфрамового дроту для електричних ламп розжарювання (а вольфрам — метал дуже твердий) широко застосовують ал­мазні волоки. Волока — це тверда пластинка з отвором, через який протягують метал і одержують дріт. Свердлити отвори в алмазі завжди було важким завданням, але зараз їх пробивають лазерним променем за частки секунди. Алмазні волоки дозволя­ють одержувати дріт, який точно відповідає заданим розмірам, а це означає, що термін служби лампочки збільшується.

З усіх технічних алмазів 75 % використовують у вигляді дрібних порошків та паст. Ними полірують деталі годинників (рубінові й сапфірові підшипники), канали алмазних і твер­досплавних волок, із їхньою допомогою ограновують ювелірні алмази, обробляють поверхні штампів. Алмази потрібні також

168