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第15章 金属贵族(2)

事情发生在1905年,美国伊利湖畔繁忙的公路上,那天发生了一起严重的车祸:两辆汽车头尾相撞,后面又撞上了一连串的汽车,转眼间,公路上一片狼藉,碎玻璃、碎金属片满地皆是。事故发生以后,除了警察赶到现场以外,还来了一个汽车厂的老板,他就是后来闻名于世的汽车大王亨利·福特。福特为什么也急匆匆地赶来呢?

原来,这位精明的老板希望从撞坏的汽车上找到一点别人的秘密。福特仔细地搜索着每一辆撞坏的汽车。突然,他被地上一块亮晶晶的碎片吸引住了,这是从一辆法国轿车阀轴上掉下来的碎片。粗看这块碎片并没有什么特殊之处,然而,它的光亮和硬度使福特感到,其中必定隐藏着巨大的秘密。

于是,福特把碎片拣了起来,悄悄地放到了口袋准备带回去好好研究研究。回到公司以后,福特将这块碎片送到了中心试验室,吩咐他们分析一下,看看这块碎片内究竟含有什么东西?分析报告很快出来了,这块碎片中含有少量的金属钒;它的弹性优良,韧性很强,坚硬结实,具有很好的抗冲击和抗弯曲能力,而且不易磨损和断裂。

同时,公司情报部门送来了另一份报告,其中认为,法国人似乎是偶然使用了这块含钒的钢材,因为同类型的法国轿车上并不都使用这种钢材。这一下,福特高兴极了。他下令立刻试制钒钢,结果确实令人满意。接着,他又忙着寻找储量丰富的钒矿,解决冶炼钒钢的技术难题,他希望早日将钒钢用在自己公司制造的汽车上,迅速占领美国乃至世界市场。福特终于成功了。他的公司用钒钢制作汽车发动机、阀门、弹簧、传动轴、齿轮等零部件,汽车的质量取得了大幅度的提高。几十年以后,福特汽车公司成了世界上最大的汽车生产厂商之一,福特也曾高兴地说:“假如没有钒钢,或许就没有汽车的今天。”

谈了这么多的金属合金钢铁材料,下面我们再来认识一种。黄铜是主要由铜和锌形成的合金,用途甚广,其性质取决于铜和锌的比例。含铜达63%以上的黄铜,可以冷加工,可以退火,有延展性;而含铜较少、含锌较多的合金,则应热加工,强度较高。

由于我们不知道古人用什么方法来熔炼锌矿或菱锌矿,对古代使用黄铜的情况也不太清楚。锌的沸点比铜低,在加热铜时,木炭也会加热锌矿,很难不让锌蒸发掉。罗马人可能是最先大规模使用这种方法的人,但是熔炼青铜的匠人可能在此以前已无意中生产出了黄铜,因为锡与锌的区别,最初是不清楚的。我们应该注意,《圣经》里提到的黄铜,实际上都是青铜;称为哀斯的罗马硬币,也是用铜或青铜铸的,而不是用黄铜铸的。使事情变得复杂的是,他们确实曾利用黄铜来铸币,但是起初黄铜比铜或青铜都更昂贵。然而从中世纪起,在其未用来作壶和盘之前,黄铜是一种奢侈品,只用来作纪念性的墓碑之类的东西。从约公元1230年起,黄铜制品在欧洲流行了约300年之久,因为它们比大型的雕塑品便宜得多。死于1231年的威尔普大主教的铜像,是人们所知的用黄铜制作的最早的铜像。铸造黄铜制品的过程是这样的:先把粉碎的锌矿和木炭跟铜块混合起来加热,使锌和铜结合在一起,再加热使合金熔融,然后将铜液灌入铸模。英国最早的黄铜器是进口的,主要是从图尔内进口。委托人可以从图尔内订购已经装在漂亮的底板或大理石底座里的完整的墓碑。制作铜制墓碑的办法,是先铸好铜像,通常还要铸好周围挑棚的剪影,再把它放在预制的石板里,用刀子在铜像上面刻出人的细部。有时铜像的手和面部要使用雪花石膏或其他镶嵌材料。铜像安全做好后,用装在铅栓里的暗销固定在石头底座上。铜像本身放在一层沥青上。很大的铜像就分段铸造,然后接合起来。

1964年8月18日上午,前苏联首都莫斯科的普罗斯克特米拉广场上,正在举行一个隆重的典礼。政府高级官员、红军将领、各国外交使节数百人团团围住一座用红色丝绸包着的建筑物;武装士兵们神情严肃,举手敬礼;行人则驻足观望着……嘹亮的军号声中、丝绸缓缓滑落,一枚银白色火箭展现在人们眼前,原来,这是前苏联政府建立的火箭式航空航天事迹纪念碑。如今,40多年过去了,人们发现尽管这枚火箭遭到过风霜雨雪的袭击,经受过污染空气的考验,它仍然是那么光洁明亮,引人注目。它是用什么材料制作的呢?

钛!这是一种被人美誉为“大地女神之子”的金属,是一种被誉为21世纪的金属。然而,人类在发明炼钛的过程中也是历经艰难啊!

早在18世纪末期,在英国康瓦尔郡梅纳辛教区,住着一位受人尊敬的牧师格列高尔。格列高尔个头高大,面容慈善,是一个博学多才的人,他不仅是康瓦尔郡地质学会的创始人,也是技术精湛的分析化学家,因此,格列高尔特别喜欢收集石块。他经常去周游英国各地,采集各种石块,然后带回来分门别类地进行研究。

1791年春天的一个傍晚,格列高尔在故乡的梅纳辛河谷发现了一种从未见过的石块,外表黝黑,带有磁性。“这种石块我倒还是第一次见到,真奇怪!”格列高尔对着这种石块端详了半天仍一无所知。经过分析,他发现石块中除了常见的磁铁矿成份和硅石成份外,还含有一种棕红色的矿渣粉末,它究竟是什么?

格列高尔将这种未知的粉末提取了出来,将粉末投入硫酸,它溶解了,得到一种黄色的溶液;再投入锡粒,溶液变成了紫色;投入锌粒,溶液也变成了紫色。这紫色溶液内含有什么东西呢?格列高尔又去查阅了有关文献资料,结果也是不得而知。他想,这棕红色粉末肯定是一种未知的金属矿物,这种金属具有当时所有已知金属都不具备的性质。

“那么,就叫它梅纳辛矿石吧。”格列高尔以他故乡的名字来命名这种石块,并将自己的发现写成论文,寄给了有关的科学刊物。论文在1791年就发表了,但当时的英国科学界,有谁会对一个乡村牧师的论文感兴趣呢?4年以后的1795年,从匈牙利布伊尼克地区运到德国的一种红色的“金红石”矿石,引起了柏林大学化学系马丁·克拉普罗特教授的极大兴趣,他的印象中这种矿石似曾相识,经过查阅,果然它和梅纳辛矿石很相像,只是从外表上看,前者为红后者为黑。

经过分析,这位德国化学界的权威认为:梅纳辛矿石是由于含磁铁矿成份才变黑的,两种矿石所含的棕红色粉末中含有一种未知的金属。富于幻想的克拉普罗特给这种新金属取了一个美丽的名字——钛,它取自希腊神话中大地女神之子的名字“泰坦”。克拉普罗特希望自己能亲手把钛从金红石中提炼出来,但是,一次又一次的努力总是归于失败。

为了获得第一个提炼钛的殊荣,各国化学家们展开了一次竞争。为了第一个发明炼钛的技术,他们运用了种种方法来对付金红石。许多次,有人声称自己成功了,但事实证明他们得到的并不是钛,而是钛和其他金属的化合物。这些人中包括当时声名显赫的瑞典科学院院长、著名化学家贝采里乌斯等。

这种状况持续了将近100年,直到1875年事情才出现了转机。这一年,俄国化学家基利洛夫成了幸运儿,他第一个设法制取了金属钛,虽然当时的纯度相当低,但人类总算第一次看到了这位“大地女神之子”的真面目。基利洛夫为此写了一本书——《钛的研究》,书中详细介绍了他的研究成果。然而,沙皇政府对此并没有重视,他的成果如同格列高尔的论文一样,犹如石沉大海。

又过了12年,瑞典两名化学家尼尔森和彼特森设法制取了四氯化钛,怎样进一步将钛从四氯化钛中“解放”出来呢?他们想到了生性活泼的钠,用钠去取代钛,或许能成功。他们在一只密封的钢瓶里,开始了这一项工作,果然成功了,他们制取的钛纯度达到了95%。以后,又一名法国化学家亨利·莫伊桑花了九牛二虎之力,将钛的纯度提高到了98%。能不能将纯度再进一步提高呢?

1910年,从大洋彼岸传来了好消息:美国化学家亨特借鉴尼尔森和彼特森的方法,首先尽可能净化四氯化钛和金属钠,然后再将它们混合后放入钢瓶里,终于制成了纯度达到99.9%的金属钛,重量还不到1克。“大地女神之子”终于来到了人间。

但是,直到1910年,钛在人们的眼中也还只是一个强度低、性质脆的“丑八怪”,人们一直以为钛经不起机械加工,只能制造一些运转速度极其缓慢的机械零件。

这实在是对钛莫大的误会。亨特当时虽然制得了纯度达99.9%的“纯”钛,但是实际上,正是这0.1%的杂质使钛丧失了英雄本色,连亨特本人也怀疑自己花了那么大的力气是否值得。是金子总要闪闪发光的。1925年,荷兰科学家阿克尔和德博尔联手合作,为“大地女神之子”拂去了脸上的灰尘,终于使钛显露了英雄本色。其实,阿克尔和德博尔对钛早就心存仰慕之情了,他俩坚信钛是一种大有作为的新金属,因此他们四处收集资料,潜心研究制取纯钛的办法。1925年,他俩经过反复研究,认为钛的纯度不仅与原料四氧化钛的纯度有关,而且与还原剂也有关。当他们选用加热的钨丝作为还原剂时,竟然真的炼出了高纯度的钛:它银光闪亮,具有很大的可塑性,可以轧成棒、压成板、抽成丝,甚至可以制成比纸还要薄的钛箔。这真是太奇妙了,千呼万唤始出来啊!钛是一种并不稀有的稀有金属,据估计,钛约占地壳总量的千分之六,比铜、锡、锰、锌等在地壳中的含量,要多几倍甚至几十倍呢!就连陨石中也含有钛。但正是由于钛的提炼太困难了,至今人们还把它看作是一种稀有金属。

1947年,人们才开始在工厂里冶炼钛,当年全世界的产量只有2吨;1955年,产量激增到2万吨;1972年,年产量达到了20万吨。钛难于提炼,主要是因为它在高温下化合能力极强,可以和氧、碳、氮以及其他许多元素化合。因此,不论在冶炼还是铸造时,人们都小心地防止这些元素侵袭钛。现在,人们是利用镁与四氯化钛在惰性气体氦或氩中相互作用来提炼钛的。正因为提炼钛很复杂,又要消耗很多贵重的原料,所以它的成本很高。

钛为什么如此受人欢迎呢?因为它的比重小,强度高、耐高温、抗腐蚀性强,是一种非常理想的金属。钛的硬度与钢铁差不多,而它的重量几乎只有同体积钢铁的一半;钛虽然比铝重一点,它的硬度却比铝大两倍。现在,在宇宙火箭和导弹中,就大量用钛代替钢铁,极细的钛粉,还是火箭的好燃料呢!由此,钛被誉为宇宙金属、空间金属。人们还用钛制造了钛飞机,这种飞机有95%的结构材料是用钛做的。钛的耐热性很好,熔点高达1725℃。它在强酸、强碱溶液中可以安然无恙,甚至王水也奈何它不得。有人曾把一块钛沉入海底,5年以后取上来一瞧,上面粘了许多小动物和海底植物,却一点也没有生锈,依旧亮闪闪的。用钛制造的潜艇,不仅不怕海水,而且能够承受高压,这种钛潜艇可以在深达4500米的深海中航行,那里的压力之大是普通潜艇承受不了的。更有趣的是钛在医疗上的应用:在人体骨头损坏的地方,填进钛片和钛螺丝钉,过了几个月,骨头就会重新生长在钛片的小孔和螺丝钉的螺丝中,新的肌肉纤维就包在钛片上面,这种“钛骨”与真的骨头可没什么不同呀!

有人将钛称为“21世纪的金属”,这一点也不夸张啊!