2. Загальна характеристика металів та розвиток науки про них

Металами називають речовини, які мають кристалічну будо­ву, металевий блиск, добру пластичність, високу електро- і тепло­провідність. Із 109 елементів періодичної системи Менделєєва близько 80 є металами. Найпоширеніші в природі метали — це алюміній (8,8 % маси земної кори) і залізо (4,6 %).

У машинобудуванні хімічно чисті метали майже не застосо­вують з огляду на відсутність в них необхідних механічних й технологічних властивостей. Якщо, наприклад, до рідкого ме­талу спеціально ввести задану кількість хімічних елементів, то отримаємо матеріал з іншими властивостями, який називаєть­ся сплавом. Властивості металевих сплавів можна додатково змінювати, застосовуючи відповідну термічну або хіміко-термічну обробку. Кількість сплавів, які використовуються у сучас­ній техніці, невпинно зростає.

Умовно метали поділяють на чорні й кольорові.

До чорних металів належать залізо і сплави на його основі —

сталі і та чавуни. Ці сплави є основними в машинобудівній промисловості завдяки порівняно невисокій вартості, добрим

по логічним і механічним властивостям. Недоліками чорних п є висока їх густина та низька корозійна тривкість. :і огляду на це спостерігається стійка тенденція до широкого використання сплавів на основі алюмінію, титану та магнію.

Кольоровими вважають всі інші метали, крім чорних. Для технічних потреб застосовують близько 70 кольорових металів. Серед них найважливішими є алюміній, мідь, магній, титан, цинк, свинець, олово, нікель, молібден, вольфрам, кобальт, тан­тал, цирконій, ніобій. Мідь і алюміній у технічно чистому ви­гляді використовують в електро- і теплотехніці. Здебільшого кольорові метали є основою сплавів або легувальними елемен­тами до них.

Шлях до сучасного використання металів був дуже довгим і складним. Розглянемо в ретроспективі використання металів. З археологічних розкопок відомо, що самородні метали — золо­то, срібло, мідь — почали застосовувати близько 8 тис. років тому. Найдавніші прикраси з міді, виявлені на території Туреч­чини, відносяться до VI тис. до н.е. [2, с. 12]. Знаряддя праці, виготовлені з бронзи у IV ст. до н.е., були знайдені теж на території Туреччини, а також Ірану та Месопотамії. До цього ж періоду належать і вироби з метеоритного заліза, виявлені в Єгипті [2, с. 21-22].

Як вважають вчені, металургія заліза виникла понад три тисячі років тому в різних місцях земної кулі ( Мала Азія, Індія, Китай). Трохи згодом (початок І тис. до н.е.) залізо виплавляли з руд у Середній Азії, Закавказзі і на території теперішньої Швейцарії, де проживали племена кельтів. Уч­нями кельтів стали найближчі їхні сусіди — римляни та гер­манці [3].

Виробництво заліза на території України відоме з VII-V ст. до н.е. За часів Київської Русі залізо видобували способом без­посереднього його відновлення деревним вугіллям у горнах. У XIII-XVIII ст. в Галичині, на Поліссі, Київщині й Придніпро­в'ї залізо отримували в горнах і примітивних домницях. На Львівщині залізо виробляли в Звенигороді [4], що був зруйно­ваний татаро-монголами в 1241 р. У XVIII ст. в Галичині й на Поліссі з'явились перші доменні печі невеликих розмірів, у яких із місцевих болотних і гірських руд виплавляли чавун на дерев­ному вугіллі. На території Галичини в 1778 р. налічувалось 40 дрібних металургійних підприємств з печами висотою від 10 до 20 метрів [5]. Чавун переробляли в сире залізо, яке потім кува­ли і навіть вальцювали.

Заводське виробництво чорних металів в Україні почало роз­виватись на початку XIX ст. разом з промисловою розробкою кам'яного вугілля в Донбасі та залізних руд у Криворізькому й Керченському басейнах [6, с. 168].

Коротко зупинимось на розвитку технологій відновлення і переробки заліза. Спочатку його відновлювали із руд у закритих ямах, а згодом — у невисоких печах, що називались горнами. В горно насипали деревне вугілля й залізну руду. Щоб інтен­сивніше горіло підпалене вугілля, в горно вдували повітря мі­хами з ручним приводом. Температура в зоні горіння сягала 900 °С і більше. Відновлений Карбоном шматок заліза — криця мав вкраплення шлаку (див. п. 1.1.4). Для витіснення шлаку крицю кілька разів проковували в нагрітому стані.

Винайдення водяного колеса стимулювало перехід від руч­них повітродувних міхів до продуктивніших механічних, що дало змогу інтенсифікувати горіння вугілля й збільшити висоту горна. Високе горно стали називати домницею. У Європі домниці виникли перед XIV ст. [3]. Зі збільшенням висоти домниці краще використовувалась теплота, збільшувалась температура процесу і як наслідок поряд зі шматком криці з'являвся роз­плавлений чавун. Чавун порівняно з крицею мав високий вміст вуглецю і характеризувався крихкістю. Його вважали небажа­ним продуктом і в Німеччині називали „ диким каменем", а в Англії „ свинячим залізом" (pig iron).

Згодом металурги навчились переробляти чавун у крицю в кричному горні, який нагадував домницю. В кричний горн за­вантажували шматки чавуну разом з деревним вугіллям. Під дією інтенсивного дуття згоряло вугілля, розплавлявся чавун і частина вуглецю в ньому вигоряла. Так виник продуктивніший від попереднього (одностадійного) двостадійний процес виробниц­тва криці: в першій стадії у домниці з руди отримували чавун, а в другій — із чавуну в кричному горні отримували крицю.

У 1784 р. англійський винахідник Генрі Корт (1740-1800) запропонував конструкцію пудлінгової печі для переробки ча­вуну в крицю. Піч замінила неекономічний кричний горн. Вона складалась з видовженого робочого простору і камери спалю­вання кам'яного вугілля. Твердий чавун завантажували крізь вікно в робочий простір печі. Продукти згоряння скеровували

всередину печі, вони розплавляли чавун, оксидували вуглець і інші домішки. Розплавлений метал старанно перемішували за­лізними прутами. В міру вигоряння вуглецю метал поступово переходив у твердий стан через зростання його температури плавлення. Розігрітий шматок металу — крицю — виймали з печі й проковували. Пудлінговий процес дав змогу замінити деревне вугілля кам'яним, зменшити технологічні витрати за­ліза й мав вищу продуктивність порівняно з кричним.

Підвищені господарські й військові потреби вимагали не­впинного розширення і вдосконалення металургійного й мета­лообробного виробництв. Зросли вимоги до підготовки фахівців технічного профілю.

На базі нагромадженого виробничого досвіду німецький вче­ний Георг Бауер (1494-1555), знаний під латинським іменем Аґрікола, опублікував 12 розділів фундаментальної на той час праці „ Про гірничу справу та металургію". В ній докладно опи­сано 80 відомих тоді мінералів, техніку добування й способи збагачення руд, а також тогочасні металургійні процеси й устат­кування. Книжка Аґріколи служила підручником для гірників та металургів Західної Європи протягом двох століть.

Михайло Ломоносов (1711-1765), який був знайомий з пра­цею Аґріколи, видав 1763 року книжку „ Перші засади металур­гії або рудних справ", яка служила близько 50 років підручни­ком у Росії. В ньому описано шість металів — золото, срібло, мідь, олово, залізо та свинець.

Бурхливий розвиток металургії в Англії призвів до інтенсив­ного винищення лісів на її території. У зв'язку з цим проблема заміни деревного вугілля кам'яним стала дуже актуальною. Перші спроби такої заміни позитивних результатів не дали че­рез наявність у кам'яному вугіллі шкідливої домішки — сірки. Завдяки сухій перегонці кам'яного вугілля, виконаній анг­лійцем Абрагамом Дербі старшим (1678-1717), вдалось змен­шити кількість сірки в продукті перегонки — коксі. Однак досягти повної заміни деревного вугілля коксом він не зумів.

Лише його син Абрагам Дербі молодший (1711-1763) у 1735 р. отримав кокс потрібної якості й замінив ним деревне вугілля у доменному процесі. Такий кокс відрізнявся від кам'яного ву­гілля високою пористістю, відсутністю летких речовин й обме-

женим вмістом сірки. І все ж, щоб широко запровадити кокс, необхідно було зробити ще ряд удосконалень доменної печі (змі­нити систему подачі повітря й підвищити тиск дуття), що було завершено аж у середині XIX ст.

А тим часом шотландець Джеймс Нельсон у 1828 р. отримав патент на застосування гарячого повітря у доменній печі, яке нагрівалось поза піччю кам'яним вугіллям. Гаряче повітря під­вищувало температуру в доменній печі й заощаджувало значну кількість дорогого коксу.

У 1857 р. англійський інженер Едуард Альфред Каупер (1819-1898) запропонував іншу конструкцію повітронагрівача, який опалювався не вугіллям, а дешевим доменним газом.

Починаючи з другої половини XIX ст. у металургії сталі зроблено цілу низку визначних винаходів. Одним з них став спосіб отримання сталі внаслідок продування повітрям рідкого чавуну. Патент на згаданий винахід був виданий в 1855 р. анг­лійцю Генрі Бессемеру (1813-1898). Бессемер отримував один фунт стерлінгів як авторську винагороду за кожну тонну сталі, виплавлену за його методом.

У 1861 р. німецьким винахідникам братам Вільгельму Сімен-су (1823-1883) і Фрідріху Сіменсу (1826-1901) видали англій­ський патент на регенеративну піч. Однак спроба використати цю піч для виплавлення високоякісної сталі в тиглях закінчи­лась невдало — разом з металом розплавлялись і тиглі.

Невдачею закінчилась також спроба французів — сина П'є-ра Мартена (1825-1915) і батька Еміля Мартена (1794-1871) отримати сталь у спеціально сконструйованій Фрідріхом Сімен-сом регенеративній печі, оскільки рідка сталь проникала в щі­лини футерівки і руйнувала її. Заслуга Мартенів — у заміні цегляної футерівки набивною з піску. У 1864 р. така піч дала першу сталь. Мартени того ж року отримали на запропоновану піч французький патент. У печі виплавляли високоякісну сталь із чавуну й металобрухту.

У 1878 р. англієць Сідні Джількріст Томас (1850-1885) взяв патент на отримання сталі з високофосфористих чавунів у кон­вертері з основною футерівкою. Результатами цього винаходу одразу ж скористалась Німеччина, на території якої були значні запаси залізної руди з високим вмістом фосфору. Так завдяки

винаходу Томаса Німеччина дуже швидко випередила Англію у виробництві сталі.

У 1900 р. француз Поль-Луї Еру (1863-1914) започаткував спосіб виплавлення високоякісної сталі в дуговій електропечі.

В 1933 р. український інженер Микола Мозговий (1901-1959) запропонував застосувати кисень у конвертерах (про кис­невий конвертер див. п. 1.2.3), щоб підвищити їх продуктив­ність й здешевити виробництво сталі [7]. Однак зроблені в СРСР спроби втілити у виробництво ідею Мозгового позитивних ре­зультатів не дали [8]. Лише пізніше — у 1952-1953 pp. на двох металургійних заводах Австрії, розташованих у Лінці та Дона-віці, почали виробляти сталь, продуваючи рідкий чавун кис­нем (Л-Д процес). Цей спосіб сьогодні витіснив бесемерівський та томасівський способи, ставши найпоширенішим у світі.

У 1953 р. вчені Інституту електрозварювання (м. Київ) — Борис Медовар (1916-2000) та Борис Патон запропонували но­вий спосіб отримання високоякісних сплавів (у т.ч. сталей), ві­домий під назвою електрошлаковий переплав. Його перевага у тому, що дрібні краплі розплавленого металу, проходячи крізь шлак, очищуються ним від шкідливих домішок.

Не можна оминути увагою електролізний спосіб виробницт­ва алюмінію з глинозему, запатентований незалежно у 1886 р. французом Полем-Луї Еру і американцем Чарльзом Холлом у своїх країнах.

Водночас з розробкою нових технологій виробництва вугле­цевих сталей проводились інтенсивні наукові пошуки одержан­ня легованих сталей. Відзначився в цій справі відомий англійсь­кий фізик Майкл Фарадей (1791-1867) [3, с. 182].

Послідовником Фарадея став шотландець Роберт Мюшет, який створив інструментальну сталь, леговану 5 % вольфраму, а також марганцем, хромом і кремнієм. Ця сталь гартувалась навіть тоді, коли її охолоджували на повітрі.

У 1883 р. Роберт Гатфільд (1858-1923) запатентував [3, с. 190] високомарганцеву (> 12 % Мп) сталь, яка мала добру зносо­стійкість.

У 1900 р. американські дослідники Фредерік Тейлор (1854-1916) і Монсель Уайт на Всесвітній виставці в Парижі представили інструментальну сталь з вмістом 4 % Сr і 18 % W,

чим започаткували впровадження в металообробку високостій-ких інструментальних матеріалів, відомих як швидкорізальні сталі.

Невпинне розширення асортименту конструкційних матеріа­лів, зокрема сталей, вимагало серйозних металознавчих дослід­жень. Вперше сталь як сплав заліза й вуглецю розглядав 1799 р. французький вчений Гютон де Морво [9]. А у 1802 р. Девід Мюшет (батько згаданого вище Роберта Мюшета) вважав, що сталь містить 0,8...2,0 % С, а чавун — 4,0...6,0 % С. Пізніше ці межі вмісту вуглецю у сталях та чавунах були уточнені.

У 1824 р. німецький вчений Карл Карстен (1782-1853) за­значав, що вуглець у залізовуглецевих сплавах може бути в чистому вигляді (графіт), у хімічній сполуці (карбід) та у зв'яза­ному вигляді (за сучасними поняттями — у твердому розчині).

Російський інженер Дмитро Чернов (1839-1921) з'ясовував причини частих руйнувань гармат, досліджуючи механічні влас­тивості їх матеріалу, охолодженого від різних температур. Зав­дяки таким дослідженням йому в 1868 р. вдалося відкрити кри­тичні температури, не встановивши їх числових значень, через відсутність на той час необхідних вимірювальних приладів.

Лише пізніше у 1886 р. француз Флоріс Осмонд (1849-1912), в розпорядженні якого був термоелектричний пірометр, визна­чив критичні температури, відкриті Черновим.

Перші спроби дослідити й сфотографувати під мікроскопом травлені шліфи зробили в 1878 р. англійський металознавець Генрі Кліфтон Сорбі (1826-1908) та німецький — Адольф Мар­тене (1850-1910) [10].

Англійський металург Вільям РобертсАустен (1843-1902) методом термічного аналізу дослідив 16 сплавів заліза з вугле­цем і побудував у 1897 р. ще не повну, але вже близьку до сучасної, діаграму залізо-вуглець.

Від найдавніших часів для виготовлення металевих виробів різного призначення широко застосовували лиття і обробку ти­ском.

Ливарне виробництво було відоме ще в V тис. до н.е., а по­ява бронзи дала поштовх для його подальшого розвитку [13]. Перші ливарні вироби, знайдені на території України, датують­ся кінцем IV тис. до н.е. В XV-XIII ст. до н.е. в Північному

13

Причорномор'ї відливали сокири, а починаючи з XII ст. в Русі лили дзвони. Новий імпульс для розвитку ливарного вироб­ництва дало винайдення у XV ст. пороху та пов'язане з цим виготовленням гармат і великої кількості ядер до них. Чавунні ядра відливали в металевих формах.

Одним з перших способів обробки металів тиском було ку­вання. Згодом виникли такі види обробки тиском, як волочін­ня (ХІІ-ХШ ст., Німеччина), вальцювання (XII-XIV ст.), об'ємне штампування (1819 р.) і пресування (1894 p.). Вальцювальний стан, який приводила в дію парова машина, виготовили в Анг­лії 1779 р. [12, с. 5]. У 1840 р. у Франції виготовили паровий молот, розроблений англійцем Джеймсом Несмітом (1808-1892).

На зміну ковальському зварюванню й заклепковим з'єднан­ням прийшло дугове зварювання. Пріоритет у цій справі нале­жав українському інженерові грецького походження Миколі Бе-нардосу (1842-1905), який розробив спосіб дугового зварюван­ня неплавким електродом. Невдовзі після цього російський ін­женер Микола Слав'янов (1854-1897) удосконалив метод Бена-рдоса, замінивши вугільний електрод металевим.

У 1907 р. шведський інженер Оскар Кельберг (1870-1931) для стабілізації зварювальної дуги й захисту розплавленого металу від атмосфери запропонував покривати металеві елект­роди спеціальними речовинами.

Американський інженер Александер запровадив зварюван­ня непокритим металевим електродом у захисних газах (1928 рік).

У 1940 р. в Інституті електрозварювання під керівництвом академіка Євгена Патона (1870-1953) розроблено і запрова­джено у виробництво дугове зварювання під флюсом. У 1949 р. цей інститут запропонував електрошлакове зварювання.

У 1877 р. американський професор Еліхю Томсон (1853-1927) вперше виконав контактне електричне зварювання [15].

Металеві вироби, виготовлені литтям або обробкою тиском, часто вимагали подальшої обробки на металорізальних верста­тах. Опис перших металообробних верстатів знаходимо в книж­ках Леонардо да Вінчі (1452-1519) (Італія) і Ганса Гетца (Німеч­чина) [14, с. 13]. Близько 1500 р. Гетц описує свердління гар-

матних дул, а Леонардо да Вінчі подає конструкцію токарного верстата з педальним приводом.

XVIII століття характеризується численними вдосконалення­ми металообробних верстатів і створенням нових способів оброб­ки. Варто згадати англійця Г. Моделі (1771-1831), який багато зробив у справі розвитку верстатобудування. Йому належать пріоритети в розробці супорта з механічною подачею, у ство­ренні свердлильного, розточувального, довбального, поперечно­стругального, зубостругального та фрезерних верстатів. Таким чином, у XIX ст. запроваджено основні способи обробки мета­лів різанням, а в XX ст. їх вдосконалювали й підвищували точ­ність верстатів, виготовляли верстати-автомати. Спочатку автоматична обробка різанням була зорієнтована на масове ви­робництво. Та з появою верстатів з числовим програмним керу­ванням вона знаходить все більше застосування в дрібносерійному і навіть в одиничному виробництві.

МЕТАЛУРГІЯ ЧОРНИХ І КОЛЬОРОВИХ МЕТАЛІВ