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

чистой водой и обдувают для просушки сжатым воз­ духом.

Большой выигрыш от электрохимического полирования могут получить инструментальщики. Один из основных врагов инструмента, вызывающих его преждевременную старость,— высокая температура. Сильный нагрев ослаб­ ляет металл, снижает его сопротивление усилиям реза­ ния, ускоряет износ. Очевидно, лучший способ борьбы с нагревом — уничтожить в самом зародыше источник теп­ ла и не дать ему выделиться. Основной источник тепла при резании металла — трение. Стружка, сбегая с детали, непрерывно и с большой силой трется о переднюю грань резца, о кромки спиральных канавок сверл, метчиков, фрез. Что касается электрополирования, то оно, как ни­ какой другой вид обработки, снижает коэффициенты тре­ ния у металлических пластинок, подвергнутых электро­ полированию, коэффициент трения оказывается втрое ни­ же, чем у механически полированных пластинок. Эле­ ктрополировка стали снижает трение ее о чугун в 8—10 раз. Таким образом, электрополпровка, уменьшая трение режущего инструмента о стружку, существенно повышает его стойкость.

В заключение скажем еще об электрохимической мар­ кировке. Обоймы высокооборотных подшипников, лопат­ ки турбин и компрессоров, крыльчатки насосов не терпят нн малейших задиров и царапин. Для них след маркиро­ вочного клейма, сыграв роль концентратора напряжения, может стать причиной усталостной трещины, ведущей к неминуемому разрушению. Поэтому клеймить их механи­ ческим способом не рекомендуется. Другое дело — элек­ трохимическая маркировка, не оставляющая на детали никаких следов, кроме четкой разборчивой надписи. Сей­ час имеются удобные переносные устройства для марки­ ровки, работающие от аккумуляторных батарей.

280

Как видите, диапазон применения электрохимических методов очень широк: от громадных деталей, не умеща­ ющихся ни на одном станке, до крошечных метчиков и сверл. Меняя напряжение, силу тока и температуру элек­ тролита, можно переходить от жестких обдирочных рабо­ чих режимов к мягким отделочным, не влияющим на структуру металла и не создающим внутренних напряже­ ний. А это очень важно для деталей станков, самолетов, автомобилей, работающих в условиях интенсивных пере­ менных нагрузок.

В настоящее время станков для электрохимической об­ работки в промышленности еще немного, но количество их растет с каждым днем.

Работают электронные пучки

Универсальный инструмент XX века. Электронные пушки. Ионное азотирование.

Новые методы обработки металла возникают не случай­ но. Их рождение является отражением некоторых общих направлений развития науки и техники. Действительно, в настоящее время можно подметить немало общих прин­ ципиальных особенностей движения вперед ряда физиче­ ских и даже биологических наук. Все чаще ученые стре­ мятся рассматривать процессы, происходящие в живой и и неживой природе, на уровне молекул и атомов. Физиков влечет вперед познание внутриатомных и даже внутри­ ядерных процессов, они уходят все дальше в глубины материи, в неисчерпаемое разнообразие и сложность будто бы «элементарных» частиц. Биологи со своей сто­ роны ждут больших открытий при познании мельчайших деталей живой клетки, ждут громадных практических результатов от раскрытия тайн наследственности и опас-

ных болезней, тайн, скрытых в молекулах белков, даже

вотдельных частичках этих молекул.

Винженерные науки, в промышленность мир частиц принесла электроника. Потоки электронов понеслись к экранам телевизоров и катодных осциллографов, внутри

ртутных выпрямителей и люминесцентных ламп забуше­ вали вихри ионов, радиолампа — это простейшее средст­ во усиления и упорядочения движения электронов — сделалась символом многих отраслей техники. И все же электроника широко применяется в промышленности только как мощное и гибкое средство контроля, автомати­ зации и управления различными технологическими про­ цессами. Непосредственно сама технология, сама обра­ ботка металла, пластмассы, керамики, потоки частиц, как правило, не использует. Между тем мельчайшие электри­ чески заряженные частицы — электроны и ионы — могут служить рабочим инструментом, могут, двигаясь в элек­ трическом поле, соединить, деформировать, расплавить, испарить почти любые материалы. В промышленность часто случайно и как-то незаметно входят оригинальные технологические методы воздействия на материалы силь­ ными электромагнитными полями или потоками заряжен­ ных частиц. Возникает новая область науки и техники, основанная на использовании электронных и ионных пуч­ ков, электрических и магнитных полей для обработки и преобразования материалов.

Ускоренное развитие народного хозяйства не мыслится без постоянного совершенствования технологии всех от­ раслей и видов производства. В Программе Коммунисти­ ческой партии Советского Союза записано: «Механиче­ ская обработка будет дополняться и в необходимых слу­ чаях заменяться химическими методами, технологическим использованием электроэнергии, электрохимией, электро­ термией и т. д.; все большее место в технологии произ-

282

даже отдельных атомов в кристаллических решетках твердых тел. Этот же луч способен очищать металлы от примесей, сваривать материалы в самых немыслимых с точки зрения сварщика сочетаниях и тратить при этом электроэнергии в 20 раз меньше, чем обычно.

Принципы действия телевизора, электронного микроско­ па и электронного сварочного аппарата одинаковы, раз­ ница лишь в том, что для телевизора и микроскопа нуж­ ны электронные пучки малой мощности, а для обработки металла— большой. Такие пучки научились получать лишь в самое последнее время. Немалая заслуга в этом принадлежит советским изобретателям из Киева: членукорреспонденту Академии наук УССР Б. А. Мовчану, со­ трудникам Института электросварки имени Е. О. Патона инженерам О. Назаренко и В. Тимченко.

Широкое внедрение в технику новых научных открытий и принципов становится возможным лишь после их инже­ нерного осмысления, после создания дешевых, простых и надежных конструкций. А кроме того, необходима на­ стоятельная нужда в этих новых открытиях, без нее они будут лежать под спудом долгие годы.

Преимущества электронной обработки ученые видели уже давно, нужда в сверхчистых металлах, в обработке тугоплавкого и быстроокисляющегося на воздухе воль­ фрама, ниобия, молибдена по мере развития электроники

иракетно-атомной техники обострялась все более, а ос­ новных орудий производства, мощных электронных пу­ шек— генераторов и ускорителей электронов — не было. Это тормозило все дело. Вернее, они были, но сложность

иприсущие им недостатки не позволяли внедрить их в реальное производство. Так, например, не удавалось до­ биться качественной фокусировки электронного пучка, а брызги металла, попадающие при плавке на нить накала, быстро выводили пушки из строя.

284

Борис Алексеевич Мовчан предложил оригинальную конструкцию электронной пушки (авторское свидетельст­ во 137204), отличающуюся простотой и долговечностью. Основные детали пушки, как и обычно, — анод и катод. Но в центре анода высверлено коническое отверстие, су­ жающееся кверху, катодная система с вольфрамовой нитью накала располагается над анодом. Испускаемые раскаленной нитыо электроны ускоряются и фокусируют­ ся электрическим полем между анодом и катодом. Катод можно двигать, и это обеспечивает исключительно плав­ ное регулирование фокусировки. Электроны пролетают узкую щель в аноде и ударяют по заготовке. Благодаря форме анодного отверстия металлические брызги и пары, возникающие при обработке, ни в коем случае не могут попасть на вольфрамовую нить. С другой стороны, и частички нити никак не могут попасть на заготовку. А это очень важно при получении сверхчистых веществ.

Еще одно важное достоинство этой пушки — возмож­ ность менять форму электронного пятна, растягивать све­ тящуюся точку в тончайшую линию, другими словами — менять форму рабочего инструмента. В другой пушке Б. Мовчана (авторское свидетельство 137205) анод и ка­ тод представляют собой концентрически расположен­ ные кольца, а нить накала охватывает их снаружи. Блокбатарея, собранная ученым из шести таких пушек, обла­ дает значительной мощностью: электронный ток достига­ ет 5 ампер при напряжении 14 000 вольт.

Для сварки и резки тонких деталей (1—2 миллиметра) достаточно ускорить электронный пучок сравнительно низким напряжением — 15—20 тысяч вольт. При толщи­ не 5—10 миллиметров приходится повышать напряжение до 100 тысяч вольт и более. И сразу же все усложняется. Прежде всего получить это напряжение не так-то просто. А потом еще разогнанные до трех четвертей световой

2 8 5

скорости электроны начинают излучать жесткие рентге­ новские лучи. От этих лучей нужна надежная биологи­ ческая защита, сложная техника безопасности и т. д.

Пушка, предложенная киевскими инженерами О. Наза­ ренко и В. Тимченко (авторское свидетельство 137604), упрощает проблему. Она позволяет резать и плавить металл значительной толщины при низких ускоряющих напряжениях. Все дело в оригинальной короткофокусной электронно-оптической системе с электромагнитными линзами и диафрагмой между ними, окончательно фоку­ сирующими электронный луч в плоскости сварки. Собст­ венно говоря, это настоящий электронный микроскоп, только предназначенный для другой цели.

На чем основана обработка электронным лучом и как конкретно она производится?

Электронный луч — это поток мчащихся с большой скоростью электронов. Чтобы электроны не растрачивали энергию на столкновения с молекулами воздуха и чтобы не окислялась заготовка, ее 'Вместе с пушкой помещают в глубокий вакуум, где давление примерно в миллиард раз меньше атмосферного. При встрече каждого электро­ на с поверхностью заготовки выделяется тепло. В зависи­ мости от мощности, диаметра, времени действия, переме­ щения луча тепло выделяется по-разному и в одних слу­ чаях очищает, в других сваривает, в-третьих сверлит или фрезерует материал.

Очистка заключается в том, что электронный луч, дви­ гаясь вдоль слитка, прогоняет вдоль него расплавленную зону. Как известно, примеси, понижающие температуру плавления основного материала, всплывают, а повышаю­ щие — оседают.

Если «прочесать» слиток электронным лучом 10—12 раз, то все примеси соберутся па концах слитка, а в середине останется металл фантастической чистоты, измеряющейся

286

числом 99,99999999 процента. Такая зонная очистка изме­ няет свойства металлов. Обычно хрупкий вольфрам после электронной очистки можно согнуть в кольцо диаметром меньше диаметра самого прутка или без отжига вытянуть в проволоку тоньше волоса. Электронно-лучевая плавка, практически полностью удаляя из металла нежелатель­ ные примеси, повышает стойкость против коррозии и жа­ ропрочность специальных сталей, одновременно облегчая их последующую обработку. Кстати, можно переплавлять не только слитки металла, но и стружки, обрезки, что особенно важно в производстве деталей из качественного, ценного металла.

Сварка электронным лучом обладает прямо-таки рази­ тельными преимуществами. Во-первых, свариваются лю­ бые материалы, даже камни и керамика, не говоря уж о вольфраме, молибдене, рении, ниобии и других тугоплав­ ких металлах. Важно только, чтобы температуры плавле­ ния свариваемых деталей были не очень далеки друг от друга. Энергию при сварке лучше всего подводить корот­ кими импульсами. Тогда прогревается только узенькая полоска, так что при толщине листов 25 миллиметров вся околошовная зона, где ухудшается металлическая струк­ тура, не превышает 1,5 миллиметра. Значит, практически не понижается прочность металла. Кроме того, при элек­ тронно-лучевой сварке расходуется в 20 раз меньше элек­ троэнергии, чем при дуговой, — здесь не приходится впу­ стую разогревать большие объемы материала. Интересно, что таким способом удается варить детали даже сквозь металл, осуществляя сварку внутри узких полостей, куда обычным электродом не проникнешь. Прожигаемая при этом щель в наружной оболочке детали, «залечивается», заваривается тем же лучом. Возможна сварка встык тон­ кой фольги. Луч можно перемещать, отклоняя поток элек­ тронов магнитным полем и оставляя само изделие непод-

287

вижным. Этим достигается ювелирная точность сварки и упрощение конструкции вакуумной камеры — отпадает надобность в приспособлениях для перемещения изделий. Не подумайте, что электронная сварка имеет дело толь­ ко с миниатюрными деталями. Нет, известны случаи свар­ ки, где общая длина шва достигала 100 метров. Усилив мощность луча, мо>йно не только плавить металл, но и испарять его. Электроны при этом вгрызаются в заготов­ ку, просверливая мельчайшие отверстия или фрезеруя узкие, как человеческий волос, прорези. При этом глуби­ на проникновения луча может быть в сто раз больше его диаметра. Обработке поддаются любые, самые тугоплав­ кие материалы — тантал, титан, вольфрам, кварц, кера­ мика. Ведь концентрация энергии в электронном луче превосходит все, что было известно ранее. Так, вольтова дуга дает самое большое 100 киловатт на квадратный сантиметр, а электронный луч в 5000 раз больше. Мощ­ ность солидной электростанции буквально на острие иглы! Ясно, что перед такой мощью не устоит самый упрямый сплав. Температура в зоне обработки достигает 5000 градусов, но пучок электронов так тонко сфокусиро­ ван, что рядом с ним, на расстоянии всего в один микрон, температура уже всего 200 градусов и структура окружа­ ющего зону обработки металла не претерпевает сущест­ венных изменений.

Электронный луч, как мы уже сказали, может испа­ рять любые тугоплавкие металлы. Если на пути испаряемых металлических частиц поставить какую-либо преграду, частицы осядут на ней в виде тончайших пле­ нок. Такие пленки толщиной в десятитысячные доли мил­ лиметра удалось получить на стекле, слюде, керамике, пластмассе, даже на бумаге. Делали и многослойные покрытия. Тончайшие пленки прозрачны и, будучи нанесе­ ны на зеркала телескопов или других оптических прибо-

288

ров, расширяют их возможности. Пленочные схемы и триоды — верный путь к сверхминиатюризации электрон­ ной аппаратуры. Триоды, изготовленные методом напыле­ ния, так малы, что на почтовой марке их умещается несколько тысяч штук.

В электронно-лучевом станке властвует электричество, оно снабжает энергией всю установку, исполняет роль рабочего инструмента, командует и управляет этим инст­ рументом, даже читает чертеж. Это высшая ступень авто­ матизации, действительно достойное приложение луч­ ших качеств электрической энергии к нуждам обработки материалов.

Электронно-ионная технология успешно вступает в союз с традиционными химическими и термическими методами обработки. Результатом такого союза является опять нечто принципиально новое. Вот всего лишь один пример.

Прочность и износоустойчивость — самые важные каче­ ства детали с точки зрения инженера. Но если деталь за­ калить, придав ей высокую твердость, она станет хрупкой и может легко расколоться от удара. С другой стороны, менее хрупкая, мягкая деталь быстро изнашивается. Что­ бы добиться прочности и долговечности одновременно, стальные детали подвергают так называемым химико­ термическим обработкам — цементации и азотированию. В первом случае их насыщают с поверхности углеродом, во втором — азотом. Азот и углерод, соединяясь с желе­ зом, образуют твердую скорлупу, в которую заключена мягкая сердцевина. Полученный таким способом стальной «орешек» не боится ударов и одновременно чрезвычайно стойко работает на истирание.

Цементация и азотирование очень широко применяют­ ся в современной технике, несмотря на весьма сущест­ венный недостаток — чрезвычайную медлительность про­ цессов. Так, например, азотирование занимает иногда

289