книги из ГПНТБ / Муслин Е.С. Металл меняет форму

высокое давление, доходящее до одной-двух тысяч ат­ мосфер. Давление сжимает порошок и превращает его в твердую монолитную болванку. Советский инженер Б. А. Борок, много занимавшийся исследованием гидро­ статического прессования, подчеркивает его важные пре­ имущества. Так как давление действует на порошок со всех сторон равномерно, то плотность получаемого брус­ ка, его механические свойства постоянны по всему сече­ нию. Вряд ли можно переоценить важность этого обстоя­ тельства для прочности будущей детали. Никаким дру­ гим способом достичь таких результатов невозможно. Поскольку при гидростатическом прессовании полностью отсутствует трение между деталью и оболочкой-штам­ пом, потребное усилие резко уменьшается, иногда в не­ сколько раз. К тому же и создать эти усилия гораздо легче. Вместо громоздкого тысячетонного пресса дос­ таточно иметь небольшой насосик высокого давления, причем давление от одного насоса можно подвести к лю­ бому числу одновременно действующих рабочих камер, а в каждой камере можно одновременно прессовать не­ сколько деталей.

Подобного рода установки, спроектированные в ЦНИИЧЕРМЕТе, прессуют сейчас 500-килограммовые блоки, правда, очень простой формы — цилиндры, кубы, многогранники. Чтобы перейти к прессованию деталей произвольной формы, остается сделать последний шаг: заменить эластичную оболочку специально спроектиро­ ванным эластичным штампом (Английский патент

781982, патент США 2783504).

Внутренняя его полость должна точно соответствовать конфигурации прессуемой детали, конечно, с учетом усадки порошка, достигающей иногда пятидесяти про­ центов по объему. Толщина стенки выбирается с тем рас­ четом, чтобы форма штампа не искажалась при запол-

180

нении его порошком, но вместе с тем, чтобы давление могло беспрепятственно действовать на деталь. Проще всего можно изготовить такой штамп из жидкой резины, нанося ее на восковую форму. После застывания воск выплавляют и вместо него форму засыпают порошком. Чтобы избежать в готовой детали пористости, форму предварительно вакуумируют, откачивают из нее воз­ дух. Гидростатическое прессование в эластичных штам­ пах, как утверждают изобретатели, позволяет получать детали из молибдена, вольфрама, циркония, титана, ва­ надия, из карбидов и их сплавов с поднутрениями, с криволинейными внутренними полостями, заплечиками,

тойчивые сопла для пескоструек, меднографитовые щет­ ки электромашин, поршневые кольца, твердосплавные пластинки режущих инструментов, ферритовые элемен­ ты памяти, постоянные магниты, тормозные накладки, дизельные форсунки, самосмазывающиеся подшипники, стержни-замедлители атомных реакторов — и сейчас уже стали необходимы для техники, то новый высокопроиз­ водительный, дешевый, а главное универсальный способ штамповки еще более расширит область их применения.

Трубы из порошка

Удлиняющийся пуансон. Искры в полиэтилене

Биограф Эдисона профессор Лапиров-Скобло в своей книге приводит характерный случай, показывающий бо­ гатство творческой фантазии великого изобретателя.

181

«Один из инженеров представил Эдисону три вариан­ та' машины, предназначенной для специальной работы. Чертежи не удовлетворили Эдисона, и молодой инженер с сожалением заметил, что не знает, что делать дальше. Эдисон спросил: «Вы хотите сказать, что данные черте­ жи являются единственно возможным решением постав­ ленной задачи?» — «Наверное», — ответил инженер. Эди­ сон ничего ему не сказал, но спустя два дня принес и поло­ жил этому инженеру на стол сорок восемь вариантов той же машины, составленных самим Эдисоном»... По­ учительно, не правда ли?

Это был один из методов, которыми Эдисон обучал своих сотрудников. Надо признать, метод неплохой, ибо чаще всего изобретателям приходится искать новых ре­ шений, когда самым эрудированным специалистам ка­ жется, что все возможные решения давным-давно най­ дены. Успех в таком деле зависит от умения свернуть с проторенных дорог, избрать принципиально новые пути. И тогда поставленную задачу часто удается ре­ шить не одним, а сразу несколькими способами. Имен­ но так произошло со способом прессования деталей большой длины.

•

Детали, изготовленные методами порошковой метал­ лургии, завоевывают все новые области применения. Вольфрамовые нити электроламп, твердосплавные плас­ тинки резцов, износостойкие сопла пескоструйных аппа­ ратов, фильеры волочильных станков, зубья буровых коронок, топливная аппаратура дизелей, турбинные ло­ патки — все это прессуется из порошка. Жаропрочность, износостойкость, простота технологии, позволяющей сразу получать детали заданной формы, полное отсутст­ вие отходов, наконец, удобство регулирования пористо-

182

сти изделий — вот неоценимые преимущества порошко­ вой металлургии.

Но есть у нее и уязвимое место: мы хорошо умеем прессовать детали простой формы и небольших разме­ ров — шестерни, кольца, втулки, но если деталь чуть сильнее вытянется в длину, чем положено, изготовить ее будет уже невозможно. Так, никто не возьмется прессо­ вать даже простой цилиндр или трубу, если ее длина больше, чем в три раза, превышает диаметр. И вот по­ чему. Представьте себе трубопровод длиною во много километров, заполненный жидкостью. С помощью порш­ ня надавите на жидкость. Давление сразу же распрост­ ранится по всему трубопроводу. В каком бы месте вы ни подсоединили к нему манометр, везде он покажет одну и ту же цифру. Если же вы замените жидкость песком или любым другим порошкообразным материа­ лом, то волна давления распространится на очень не­ большое расстояние. Дальше она заглохнет, ее поглотит трение частиц порошка между собой и о стенки трубы. По этой причине при штамповке деталей из порошка давление фактически действует лишь на небольшой уча­ сток прессуемого изделия, непосредственно примыкаю­ щий к пуансону. Попробуйте-ка в таких условиях прес­ совать детали сильно вытянутой, удлиненной формы.

Московские инженеры Александр Александрович Мукасеев, Павел Федорович Бальмер и Сергей Егорович Салибеков решили головоломную задачу удивительно простым, как выразились бы математики, изящным спо­ собом (авторское свидетельство 170266). Они оставили тот же пресс, тот же пуансон, ту же прессформу. Един­ ственно, что они изменили, так это порядок нагрева.

...В длинную цилиндрическую прессформу с фасонным каналом внутри насыпана заготовка — металлокерами­ ческий порошок. Сверху в прессформу входит пуансон

183

пресса. Вот рабочий нажал кнопку «пуск», и пуансон с силою многих тонн сдавил порошок. Мы уже знаем, что давление действует лишь на прилегающую к пуансону зону. Ну, и пусть. Автоматически включаются электро­ нагревательные элементы, обогревающие именно эту часть прессформы. Раскаленный порошок спекается под давлением пуансона, образуя твердую верхушку дета­ ли, в то время как остальная ее часть остается почти хо­ лодной. С легким щелчком срабатывает переключатель, и вот уже нагревается следующий участок прессформы. Поскольку коэффициент теплового расширения графи­ товой прессформы больше, чем у прессуемого материа­ ла, то при охлаждении между затвердевшей частью де­ тали и стенками формы образуется небольшой зазор. Сила трения верхушки детали о стенки матрицы резко падает, и давление пуансона беспрепятственно распро­ страняется дальше, сдавливая следующую порцию по­ рошка. Затвердевшая часть детали, таким образом, вы­ полняет функцию удлиняющегося пуансона. Многократ­ ным перемещением горячей зоны можно изготовлять очень длинные детали- у которых длина по крайней мере в двадцать раз превышает диаметр. Если использо­ вать индукционный нагрев, процесс спекания легко авто­ матизировать, сделать его непрерывным. Нужно только кольцевой индуктор, охватывающий снаружи матрицу, заставить двигаться сверху вниз со скоростью спекания детали. Чтобы удвоить производительность, можно прес­ совать деталь двумя пуансонами сразу — верхним и нижним. При этом и греть ее будут два индуктора, мед­ ленно двигаясь навстречу друг другу.

Новым методом, который изобретатели назвали зон­ ным прессованием, уже удалось получить стерженьки из карбида ниобия и карбида циркония диаметром пять и длиною сто миллиметров.

184

•

В 1774 году, почти двести лет назад, английский уче­ ный Нэрн разрезал толстый медный провод на несколь­ ко кусков, соединил их между собой тоненькими прово­ лочками и разрядил на образовавшуюся электрическую цепь мощную батарею лейденских банок. Яркими мол­ ниями одновременно вспыхнули, взорвались с сильным хлопком все проволочки и тут же перегорели. Так впер­ вые удалось доказать опытным путем, что токи в любом сечении электрической цепи равны между собой. С тех пор прошло 100 лет. Никто больше не интересовался электрическими взрывающимися проволочками. Но вот наступила эра фотографии. Понадобились мощные источ­ ники света. О проволочках вспомнили снова. Подобно легендарному Фениксу, возродились они в ослепитель­ ных лампах-вспышках и опять погрузились в Лету заб­ вения. И только в последние годы физики всерьез заин­ тересовались взрывающимися проволочками. Хотя, что­ бы открыть это явление, в свое время потребовался лишь тоненький металлический волосок да пара лейден­ ских банок, объяснить его полностью физики не сумели до сих пор. Ясно лишь, что проволочка, нагреваясь за счет джоулева тепла, закипает и со взрывом превра­ щается в пар. Исследования затрудняются еще тем, что все это происходит за миллионные доли секунды.

Но так или иначе — проволочки удобный источник сверхъяркого света, сверхвысоких температур и мощно­ стей. В Морской исследовательской лаборатории США, где проволочки пытались использовать для иницииро­ вания термоядерных реакций, металлический волосок диаметром в один микрон, взрываясь, давал температу­ ру в сотни миллионов градусов и развивал пиковую мощность в 100 миллионов киловатт, почти равную об­ щей мощности всех советских электростанций.

185

Взрывая проволочки в массивной бомбе, наполненной

кораблей. Скорость разлета образующихся после взры­ ва проволочки газов достигает 80 километров в секун­ ду — в 20 раз больше, чем у лучших химических топлив. Поскольку тяга ракеты, как известно, пропорциональна скорости истечения газов, понятно, какие перспективы открывают проволочки перед космической техникой. Причем к. п. д. этого процесса достигает 80 процентов. Да и хранить твердую проволоку и обращаться с ней удобнее, чем с газом или жидкостью.

Нашли себе применение проволочки и в металлообра­ ботке. С их помощью очень удобно сваривать металлы с керамикой, с полупроводниками, когда обычные спо­ собы неприменимы из-за нежелательности нагрева.

Керамический брусок плотно прижимают к металли­ ческому стержню, проложив между ними тончайшую танталовую фольгу. При разряде фольга за доли мил­ лисекунды проносится через жидкую и парообразную фазы и затвердевает вновь, накрепко сваривая металл и керамику. Самое интересное здесь с точки зрения ин­ женера то, что прочность соединения по всему сечению одинакова: ведь проволочка или фольга взрываются сразу с одинаковой интенсивностью в любой точке.

Этим-то обстоятельством и воспользовались минские изобретатели Л. Богинский, И. Кабельский, П. Логинов, О. Роман, Ю. Шарин и В. Коротков из Белорусского политехнического института и Энергетического институ­ та АН БССР (авторское свидетельство 173105). Столк­ нувшись с необходимостью прессовать из металлических порошков трубы, например направляющие втулки авто­ мобильных клапанов, они, естественно, прежде всего

186

вспомнили о взрывной штамповке. Но обыкновенным взрывом вряд ли можно обеспечить равномерное поле давления большой протяженности. А взрывающейся про­ волочкой можно: нескольких микросекунд, пока идет ее испарение, недостаточно для развития каких-либо дефор­ маций. Сохраняя форму своей оси, проволочка плавится, вскипает, наконец, пузырьки раскаленного металлическо­ го пара сливаются в сплошной столб сильно сжатого газа, и следует взрыв. Взрывная волна идеально цилиндри­ ческой формы возникает строго одновременно по всей длине проводника. Естественно ожидать, что свойства деталей, которые будет прессовать столь совершенный инструмент, окажутся весьма высокими.

Испытания нового способа проводились на экспери­ ментальном стенде Энергетического института АН БССР. В цилиндрическую матрицу — толстую стальную трубу — засыпали железо-графитовый порошок, а по оси трубы вставили пластмассовую «свечу» — цилиндрический стер­ жень с пронизывающим его металлическим волоском. К волоску подсоединили мощный генератор импульсных токов. «Четыре, три, два, один, ноль!» Сгусток энергии в

матрицы. Получившаяся втулка (отношение длины к тол­ щине стенки равнялось у нее тридцати пяти) не имела рыхлот, сколов и трещин. Плотность ее по всему объему была постоянной. Этого удалось достичь благодаря ра­ диальному направлению прессования и незначительным перемещениям частиц порошка. Поскольку проволочной свече легко придать любую форму, новый способ откры­ вает возможности прессования качественных деталей са­ мых сложных конфигураций из вольфрамовых, титано­ вых, молибденовых, ниобиевых и других малопластичных

187

порошков, которые пока как следует вообще никто прес­ совать не умеет.

Что касается материала «свечи» и проволочки, то наи­ более подходящими оказались полиэтилен и вольфрам или нихром.

Магнитный взрыв ломает технологию

По предсказанию академика П. Л. Капицы. Герметичные соединения без сварки. Сборка изоляторов, самолетных тяг, автомобильных шарниров и паровых котлов. Силовые линии рисуют на металле

была помещена статья академика П. Л. Капицы. В этой статье Петр Леонидович впервые в мировой литературе сообщал об огромных механических силах, возникающих при действии мощных магнитных полей на металл. Сам Капица отнюдь не был заинтересован в появлении этих сил. Наоборот, они мешали ему проводить тонкие физи­ ческие опыты по изучению действия сильного магнитного поля на элементарные частицы, наблюдать, влияет ли оно на скорость распространения света.

Для получения магнитных полей высокой напряженно­ сти Капица накоротко замыкал на соленоидную катушку мощные аккумуляторные батареи, а возникающие усилия часто ее разрушали. Вот эти-то вредные с точки зрения физика-экспериментатора силы плодотворно используют теперь инженеры, специалисты по магнитной штамповке.

Итак, основной физический принцип, на котором осно­ вана магнитная штамповка, был широко известен уже сорок лет назад, но тем не менее она не развивалась. Почти тридцать пять лет пребывала она в зародышевом состоянии, и только в 1961—1962 гг. в США появились

188

первые промышленные установки «Магнеформ», формо­ вавшие детали ударом магнитного поля. Столь долгий «инкубационный» период объяснялся не столько консер­ вативностью инженеров, сколько отсутствием необходи­ мого оборудования, а именно мощных высоковольтных конденсаторов с низкой индуктивностью. Заставить электротехников разрабатывать эти сложные и дорого­ стоящие устройства, не зная еще наверняка, окажется ли новый способ металлообработки достаточно эффек­ тивным, было делом рискованным и практически безна­ дежным. К счастью, тут инженерам снова помогли фи­ зики: для удерживания высокотемпературной плазмы в экспериментах по термоядерному синтезу опять-таки потребовались сверхмощные магнитные поля. Ну, а для создания этих полей нужны высоковольтные конденса­ торы. И они были созданы.

В Советском Союзе над такими конденсаторами по заданию физиков работали сотрудники Научно-исследо­ вательской лаборатории техники высоких напряжений и преобразователей тока Харьковского политехнического института им. В. И. Ленина. Во главе с руководителем лаборатории доцентом Саулом Марковичем Фертиком они много лет занимались высоковольтной техникой, разрабатывали проекты совершенных емкостных нако­ пителей и другого оборудования, необходимого для уп­ равления термоядерными реакциями. Накопленный опыт позволил лаборатории быстро развернуть работы по магнитно-импульсной штамповке. С момента получения задания в 1963 году прошло не более 6—-7 месяцев, как уже был построен экспериментальный стенд, разрабо­ таны в общих чертах электрические и оптические методы исследования (а они очень сложны), повторены все тех­ нологические операции, описанные в зарубежной лите­ ратуре. На этом завершался первый подготовительный

189