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

два несмешивающихся солевых расплава, таких, чтобы удельный вес одного был больше, а другого меньше удельного веса жидкого металла, то металл растечется тонкой пленкой по плоскости раздела этих двух сред и мы получим готовый металлический лист без всяких про­ катных станов.

А по сравнению с вытягиванием изделий из расплава, во всяком случае на тех установках, которые уже работа­ ют в лаборатории профессора Степанова в Ленинграде, новый процесс обладает гораздо большей производитель­ ностью. Так, скорость вытяжки у Степанова— 10—15 метров, а здесь 250—300 метров в час. Впрочем, это лег­ ко понять: по данным самого Степанова, интенсивность охлаждения при обтекании заготовки жидкостью пример­ но в 100 раз выше, чем при обдувке ее воздухом.

Первые свои эксперименты изобретатели провели с алюминием. Он плавится примерно при 660° С, поэтому соль подобрали с температурой плавления 550° С. Вытя­ гивалась проволока диаметром 3 миллиметра, причем скорость вытяжки составляла 250 метров в час. Структу­ ра металла получилась качественной, зерно — мелким, поверхность проволоки была достаточно гладкой. Короче говоря, первый же эксперимент оказался удачным и пер­ вая же экспериментальная установка превратилась по сути дела в полупромышленную. Очевидно, что широкое

сей раз. Вспомните аналогичное решение советского ин­ женера В. Г. Головкина, предложенное им во время вой­ ны для получения заклепочной проволоки. Миллионы метров этой проволоки требовалось авиационной промы-

20

тленности: сварка алюминиевых сплавов тогда развита была мало, и на фюзеляжах боевых самолетов можно было видеть сотни тысяч, а то и миллионы заклепок.

По способу Головкина струйка жидкого алюминия тоже вытягивалась прямо из плавильной печи. Силы по­ верхностного натяжения и мгновенно возникающая окисная пленка не давали струйке распасться на отдельные капли. По выходе из печи ее сразу же обдавали холодной водой, и струйка затвердевала, образуя проволоку, не уступавшую по прочности деформированной. Заклепки из такой проволоки успешно применяли в течение всей войны.

Очевидно, литье в жидкий расплав представляет со­ бой обобщение способа Головкина. Его преимущества в том, что оно позволяет в более широких пределах менять скорость охлаждения.

Как отливать невозможное

Сдвигающиеся створки выжимают лишний расплав

Трудно сконструировать в наше время такую деталь, которую нельзя изготовить.

Фрезы, вгрызающиеся в заготовку с безжалостным хрустом, звенящие шлифовальные круги, рассыпающие бенгальский огонь багрово-оранжевых искр, мягко шур­ шащие полировальные ленты, бесшумные потоки электро­ нов, выедающие в металле полости самой причудливой формы, — таков необъятный арсенал современной обра­ батывающей технологии, способной превратить бесфор­ менную глыбу в тончайшее стальное кружево, в хитроум­ ную ажурную конструкцию.

Весь вопрос только в том, во сколько обойдется изго­ товление такой конструкции. И часто это обстоятельство становится решающим при выборе способа обработки.

21

Так, детали сложной формы с достаточно толстыми стен­ ками, например станины станков, корпусы редукторов, блоки моторов, почти всегда отливаются. Преимущест­ ва литья перед другими видами обработки в быстроте, дешевизне, малом количестве отходов. Отливки могут весить от нескольких граммов до десятков тонн и заме­ нять целые узлы из десятков деталей. По этой причине все, что удается лить, лыот, начиная от бронзовых статуй

икончая радиаторами водяного отопления.

По в последнее время у литья появились соперники —

штамповка и сварка, которые стали вытеснять его. Ахил­ лесовой пятой литейщиков оказались крупногабаритные тонкостенные детали-панели. Получить их литьем практи­ чески невозможно, а потребность в них очень большая. Ведь из панелей состоят кузова автомобилей, железнодо­ рожные цистерны, газгольдеры, холодильники, крылья и фюзеляжи самолетов, обшивка речных и морских судов и многое другое. Единственный способ получения этих деталей — штамповка их из листа, сварка. Но для штам­ повки больших панелей требуются уникальные многоты­ сячетонные прессы, и, кроме того, не всегда удается изго­ товить детали требуемой формы, например с переменной толщиной стенки. Толщину, как правило, приходится выбирать по наиболее нагруженному месту, а это резко повышает общий вес детали. Увеличивается расход металла в целом по стране на миллионы тонн, эксплуата­ ционные качества машин ухудшаются. К тому же трудо­ емкость изготовления довольно велика: после штамповки детали приходится сваривать, их «ведет», значит, опять подгонка, подгибка и т. д.

Всех этих недостатков нет у литья, но отлить деталь толщиною менее трех миллиметров, а длиною более 15 сантиметров до сих пор никому не удавалось. Дело в том, что жидким металлом практически невозможно заполнить

22

узкую щель литейной формы: огненная жидкость быстро охлаждается и затвердевает. Увеличивать напор беспо­ лезно: одновременно растут гидравлические сопротивле­ ния, и положение не улучшается. А кроме того, затвер­ девший металл всегда должен соприкасаться с жидким, чтобы все время пропитывались зазоры, образующиеся между растущими кристаллами. Иначе отливка получит­ ся рыхлой.

Находить простой выход из безвыходных положе­ ний — высшее изобретательское искусство... Оно-то и по­ могло изобретателям Л. Никольскому и Е. Стебакову создать литейную форму, в которой узкую и длинную щель можно заполнять широкой струей. Весь секрет в том, что форма раздвижная и состоит она из двух половинок, скрепленных специальной осью.

Процесс литья весьма несложен. В раздвинутую фор­ му из разливочного ковша заливают расплав. Створки немедленно начинают сближаться. Уровень расплава быстро повышается, заполняя всю внутреннюю полость формы, а излишек его выплескивается наружу. Остается раздвинуть створки и вынуть готовую деталь.

Вот и все. Чрезвычайно просто, особенно если учесть, что литейную машину такой конструкции легко сделать па любом заводе.

Что касается результатов, то они замечательны. Суди­ те сами. Толщина детали может меняться от полутора до четырех миллиметров при длине 5—6 и ширине 2 метра. Лить можно алюминий, сталь, чугун, жаропрочные спла­ вы практически любого состава. Механические свойства отливки превосходные, внутренняя структура — мелко­ зернистая, точность размеров по толщине — полмилли­ метра, чистота поверхности — в пределах 4-го класса. От­ литые панели настолько гибки, что их можно сворачивать в рулоны. Кпоме того, никаким другим способом нельзя

23

получить панели с густой сеткой ребер миллиметровой толщины и шестидесятимиллиметровой высоты, разбега­ ющихся по любым направлениям.

Хотя технология и оборудование для литья выжимани­ ем, как мы уже говорили, просты, физические явления, протекающие в стремительно движущемся металлическом

Литье выжиманием замкнутых оболочек.

расплаве, очень интересны. Так, при сближении створок не весь металл поднимается кверху с одинаковой скоро­ стью. Струйки, прилегающие к боковым поверхностям формы, текут медленнее, струйки центральной части по­ тока — быстрее. Из-за этого газовые пузырьки и крупин­ ки шлаков, засоряющие металл, начинают вращаться, смещаются к центру потока и сами собой выносятся из формы вместе с избытком расплава. Происходит так на­ зываемая автодегазация, улучшающая качество отливки. Непрерывное повышение давления в жидком металле и механическое сжатие способствуют хорошей пропитке затвердевающих слоев. Расплав как бы впрессовывается в зазоры между растущими кристаллами, уплотняя тело отливки. Так что кристаллизация идет все время в дви­ жущемся потоке, идет последовательно, от стенок формы

24

к ее центру. Нарастание толщины твердеющих корочек происходит тонкими слоями, что обеспечивает мелкозер­ нистость структуры. Меняя скорость сближения створок, температуру литейной формы, можно управлять формиро­ ванием отливки.

С точки зрения механики, поток расплавленного метал­ ла мало чем отличается от потока воды, масла или дру­ гой жидкости. Поэтому для расчета литейных процессов здесь впервые удалось применить теоретические формулы гидродинамики. Вычисленная скорость течения металла в отдельных точках литейной формы точно совпадала с

рин или спирт со взвешенными в них цветными горошин­ ками полистирола. Процесс выжимания снимался на ки­ нопленку, одновременно фотографировалась шкала се­ кундомера.

Использование мощного математического аппарата и достижений гидродинамики вязкой жидкости при литье позволяет разработать методы отливки таких деталей, которые другим путем получить абсолютно невозможно.

С помощью литья выжиманием в авиационной промыш­ ленности, где требования к качеству деталей особенно высоки, уже изготовляют многие тонкостенные части са­ молетов, начиная от простых крышек, створок рулей, тормозных щитков и кончая сложными и ответственными наружными плоскостями крыла и элементов фюзеляжа. Стоимость их по сравнению с клепанными узлами сни­ зилась в 6—8 раз.

Используя изобретение Стебакова и Никольского, уже сегодня можно приступить к отливке кузовов автомоби­ лей, кожухов сельскохозяйственных машин, корпусов холодильников и других листовых деталей. Недаром это изобретение получило международное признание. Так, в

25

американском литейном журнале «Модерн Кастинге» под рубрикой «Новости из Советского Союза» сообщение о литье выжиманием названо «Как отливать невозможное».

Секрет тонкой стенки

Способ литья, позволяющий одновременно вести заливку и сверху и снизу

Читая статью инженеров В. Д. Храмова и Е. В. Миша­ кова, опубликованную в Трудах Московского авиацион­ ного технологического института, я вспомнил эту исто­ рию. За точность деталей не поручусь, а в целом дело было так.

...Никто не знал, почему стали падать «Кометы» — первые английские транспортные самолеты с реактивны­ ми двигателями. Даже те, кто падал, — пассажиры, экипаж •— не знали. Конец наступал мгновенно. Среди­ земное море, над которым пролегала трасса этих самоле­ тов, хоронило их останки. Таинственная гибель заверша­ лась бесследным исчезновением.

Авиационные инженеры, причастные к конструирова­ нию, производству и эксплуатации «Комет», усердно искали причину аварий. И безуспешно.

Они облазили, ощупали нутро машины. Они придира­ лись к подлинным и мнимым недостаткам конструкции. Придирались друг к другу. Устраняли и, кажется, устра­ нили все, что могло вызвать хоть тень сомнения.

Они пережили все стадии трудного поиска: приступ отчаянья, холодное недоумение, яростный азарт... Об их работе уже можно было писать увлекательнейший детек­ тивный роман...

Но роман этот не имел конца: обследованный лайнер разбился.

26

И вот, когда инженеры стали подумывать, не столкнуть ли это темное дело целиком в руки профессиональных Шерлоков Холмсов — пусть ищут злодея! — тогда кто-то...

Как это ни обидно, тут надо прерваться. Я же забыл сказать, о чем рассказывает статья Храмова и его това­ рища. Продолжать историю — только запутать дело. Назвать статью? Но у нее очень специальное, малопонят­ ное название: «Литье крупногабаритных тонкостенных деталей способом направленно-последовательной кри­ сталлизации»...

Придется извиниться перед читателем и начать рассказ снова, и опять — издалека.

Испокон веков литейное производство было слугою двух господ — промышленности и искусства. Оно выпус­ кало бронзовых богов и медных всадников, чугунные ограды и оловянные ложки.

Ценителей прекрасного умиляла до слез «чуткость» литья, способного педантично скопировать неповторимое. Мастеровой же люд плакал от литья горючими слезами — изводили капризы технологии.

Сложность любой операции — хирургической и финан­ совой, военной и технологической — пропорциональна числу факторов, влияющих на ее исход. Если учесть все, от чего зависит судьба отливки, может показаться, что каждый счастливый исход — везенье.

Конечно, со времен Царь-колокола литейное дело про­ двинулось далеко вперед. Но и поныне строптивость не­ которых процессов этого производства дает о себе знать. Взять хотя бы такую проблему, как отливка крупногаба­ ритных тонкостенных изделий. Ведь что получается? Не моргнув глазом, вам отольют (быть может, правда, не сразу без брака) изделие, причудливое, как человеческий зуб, массивное, как станина блюминга. Но отлить тонко­ стенный цилиндр подходящих размеров — скорее всего

27

откажутся. А между тем цельнолитые тонкостенные кон­

стенки?

Металл должен быть жидкотекуч — такова первая за­ поведь литейщика. То есть, он должен быть способен, как говорится, пройти сквозь игольное ушко.

Для этого его надо хорошенько нагреть. Но — не слиш­ ком! Иначе структура отливки будет рыхловата, деталь выйдет непрочная.

А недогрел — металл, как выражаются литейщики, не «полезет» в форму, не «выполнит», ее, где-нибудь чтонибудь не заполнит.

Но нагреть металл — мало. Для придания жидкотекучести надо его выдержать некоторое время нагретым. Только не передержать! Это тоже может вредно сказать­ ся на качестве отливки... И такие «но» на каждом шагу. Таково литейное дело!

Надо знать состав металла и даже некоторые его «био­ графические» данные. Литейщики скажут, например, что чугун из Липецка — это совсем не то, что чугун из Алапаевска.

После нагрева можно приступить к следующей опера­ ции — заливке форм. Это новый комплекс противоречи­ вых требований.

Металлическая жидкость должна течь быстро, иначе она может загустеть раньше срока и получится «закупор­ ка сосудов». Быстро, но — плавно! Если металл побежит веселым плещущимся ручейком — хорошей отливке не бывать. Почему? Потому что игривая огненная жидкость будет усиленно окисляться и комочки окисла останутся в теле заготовки, портя ее...

28

Казалось, было сделано все для получения нормаль­ ных отливок. Тем не менее 100-процентной гарантии, что так будет, вам не дадут.

Наиболее коварными и распространенными «внутрен­

медленном остывании металла начинают выделяться рас­ творенные в нем газы и часть пузырьков остается замуро­ ванной в его массе. Вторая связана с микроизменениями в структуре охлаждающегося слитка. Руководить этими изменениями удается далеко не всегда. А в них-то и кроется объяснение выдающихся механических свойств

тонкой стенки.

Речь идет о процессе кристаллизации.

Известно, что прочность металлического образца тем выше, чем мельче зерна, составляющие его структуру. Величина зерен зависит от характера кристаллизации, который в свою очередь во многом определяется услови­ ями охлаждения слитка. Если температура падает быст­ ро, кристаллизация идет интенсивно, образуется больше зерен, силы сцепления между ними соответственно воз­ растают. Если охлаждение постепенное — зерна крупнее, прочность отливки ниже.

Быстрое затвердевание выгодно еще и тем, что оно опережает выделение пузырьков газа, то есть предохра­ няет слиток от газовых раковин.

Казалось бы, все складывается благоприятно: тонко­ стенные изделия как раз обеспечивают хорошую теплоот­ дачу, быстро затвердевают. По этой причине они и полу­ чаются плотными, особо прочными.

Но технология заливки металла требует прямо проти­ воположного. Быстро остывая, металл густеет, металл теряет основное литейное свойство — жидкотекучесть. Он не сможет аккуратно заполнить форму, а значит, отлив­

29