Чудесный кисель из... металла

Число сплавов с каждым годом неустанно множится, еле поспевая за требованиями техники. Только простое их перечисление займет много часов. Однако подобно тому, как в садоводстве далеко не всегда удается скрестить одну культуру с другой, так и в металловедении зачастую невозможно приготовить сплав двух или нескольких компонентов, обладающий набором требуемых свойств.

Самые важные тому причины - различные температуры плавления и объемные массы исходных металлов, а еще точнее - размеры атомов и строений электронных оболочек. Чем сильнее они разнятся, тем труднее объединить их в нечто монолитно целое. Допустим, для изготовления легких подшипников машиностроителям потребовался сплав алюминия со свинцом. Но расплавы этих металлов, как и в случае вольфрама с алюминием, сколько бы мы их не перемешивали, неизбежно расслоятся и готовые отливки будут напоминать бутерброд. Наконец, получение новых сплавов решающим образом зависит еще от одного свойства исходных компонентов - их смачиваемости.

Любая домашняя хозяйка знает, что даже в кипящей воде жир нерастворим. Нечто похожее происходит и с молекулами расплавленных металлов, не имеющих "точек сцепления". Сколько ухищрений было придумано металловедами, химиками и литейщиками, чтобы преодолеть, хотя бы на время перемешивания, взаимную неприязнь составляющих смеси. Пробовали, например, один из компонентов измельчать в порошок, чтобы затем исхитриться и каждую крупинку тщательно покрыть тонкой оболочкой из другого металла. Или вводили в расплав поверхностно активные вещества, возлагая надежды на появление взаимопритяжения у подвижных молекул-антагонистов. Но ни одна из этих попыток успеха не принесла. При повышенной температуре в процессе образования жидкой фазы молекулы разных металлов словно две футбольные команды перед началом матча шустро разбегались в противоположные стороны.

Решения проблемы многие ученые искали долгие годы. И все же оно пришло неожиданно. Однажды сотрудник физико-технического института АН БССР кандидат технических наук Г. Л. Царев в сотый раз наблюдал, как остывает в тигле расплавленный металл. Яркие краски свечения беззвучно меркли, зримо тяжелели, переливаясь в темно-вишневые тона. Вслед за увяданием цвета загустевал и расплав. Где-то в его раскаленном нутре вершилось таинство зарождения кристаллов, различимых только в холодном металле под сильным увеличением микроскопа, да еще на тщательно отшлифованных образцах. И тут Цареву пришла в голову идея, пока смутная, но обнадеживающая. Он подошел к тиглю и подвернувшимся под руку стальным граненым стержнем проткнул податливую поверхность расплава. Понадобилось некоторое усилие, чтобы извлечь стержень обратно. На его гранях, словно кисель на деревянную ложку, налип остывающий металл.

Так начинался путь к открытию нового явления, получившего название кристаллизационной адгезии (прилипания). После серии опытов, проведенных минским ученым, выявилась характерная особенность, присущая большинству веществ, обладающих кристаллической структурой. В процессе остывания их расплава силы взаимного притяжения зарождающихся центров кристаллизации начинают стремительно расти. Едва появившись на свет, крошечные кристаллики демонстрируют непомерную агрессию. Они намертво схватывают металлы, неметаллы - все, что попадается под руку. Причем пресловутая смачиваемость постороннего материала так же, как и другие его свойства, не играет в этот период абсолютно никакой роли.

Но если этот момент прозевать и позволить расплаву несколько переохладиться, будет поздно. Сформировавшаяся кристаллическая решетка "потеряет интерес" к окружающей среде. Значит, для каждого металла или сплава оставалось лишь установить границы периода формирования с тем, чтобы своевременно внести необходимую твердую добавку. Правда, надо было еще найти способ, обеспечивавший равномерное распределение "добавки" по всему объему расплава. Но сделать это было уже значительно легче.

Сейчас новый принцип соединения материалов уже проверен на действующей опытной установке. На ней за один час получают до 100 килограммов соединений, названных композиционными дисперсными сплавами. Перспектины применения таких сплавов расширяются с каждым днем, поражая своей оригинальностью.

Разработки минского ученого открывают поистине лучезарные перспективы в создании суперматериалов. Непрерывно расширяющийся арсенал разнообразных средств воздействия на структуру вещества даст возможность в недалеком будущем получать такие композиты, о которых еще вчера мы не смели даже мечтать.

Ну, скажем, возникнет необходимость породнить феноменально прочный вольфрам с очень пластичным графитом. Такой гибрид будет просто незаменим в элементах машин, служба которых протекает в особо тяжелых условиях - одним словом, повсюду, где приходится сталкиваться с коварным трением под значительной нагрузкой.

Потому что вслед за трением появляется его верный спутник - перегрев. Только вольфраму не страшны тепловые удары даже в тысячу градусов. А равномерно распределенный в недрах сплава и запрятанный в бесчисленные микроскопические поры графит послужит прекрасной и к тому же на редкость долговечной смазкой.

Но, пожалуй, не менее интересны сплавы-оборотни. Композиты прямо противоположного назначения - вольфрамо-абразивные. Здесь в качестве твердой добавки предстоит использовать алмазную крошку. Тогда любому режущему инструменту гарантирована рекордная стойкость и долговечность. Сам по себе драгоценный камень, хотя и бесспорный чемпион твердости, тем не менее не избавлен от серьезного порока - хрупкости. Слишком уж болезненно реагирует он на резкие удары и толчки. Чуть-чуть более податливому, но зато упругому вольфраму в этом союзе уготована роль оправки-амортизатора благородного минерала. Симбиоз подобных взаимодополняющих качеств окажет неоценимую услугу при обработке самых различных изделий из особо твердых сплавов.

Советским ученым А. В. Степановым показана принципиальная возможность получения сверхпрочных материалов за счет организации максимально возможных сил сцепления между атомами.