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

почти 100 часов. И ничего не поделаешь: атомы азота не торопятся погрузиться в сталь. Каким способом можно их сделать активнее, как подстегнуть скорость диффузии?

Из химии хорошо известно, что наибольшую активность газы проявляют в ионизированном состоянии. На этом-то и основан новый ускоренный метод химико-термической, или, точнее, химико-ионотермической обработки, так на­ зываемое «ионное азотирование». Производится оно не в печи и не в соляной ванне, а в герметически закрытой трубке, в атмосфере тлеющего разряда.

После того, как деталь помещена в трубку, вакуумным насосом из нее откачивают воздух, заполняют рабочее пространство газообразным аммиаком и производят электрический разряд. При этом электроды, служащие анодом, и азотируемые детали — катод — начинают све­ титься. Аммиак диссоциирует, распадается на ионы азо­

физика и огромная (400 000°) с точки зрения металлурга. Ионы начинают бомбардировать поверхность обрабаты­ ваемых деталей, как бы сдувая с них мельчайшие час­ тички металла, а азот быстро насыщает поверхностные слои. Механические свойства металла, его сопротивление усталости после ионного азотирования заметно увеличи­ вается, а расход электроэнергии снижается. Новый метод позволяет упрочнять поверхность металла не только азотом, но и другими элементами, которые можно быстро впрыскивать, «накачивать» в деталь посредством ионной бомбардировки.

Успешные опыты по ионной цементации и азотирова­ нию не так давно провел инженер В. Ванин из г. Нико­ лаева.

С помощью электрических разрядов можно азотировать детали иа значительную глубину, покрывать их толстым

290

износоустойчивым слоем. Способ такого «глубинного» азотирования разработал в Горьковском физико-техни­ ческом институте изобретатель В. Широков (авторское свидетельство 148430).

Между деталью, нагретой до высокой температуры, и вспомогательным электродом он возбуждал дуговой или искровой разряд. Поверхность детали мгновенно оплавля­ лась, и возбужденный электрической искрой азот быстро ее насыщал. А благодаря высокой температуре железо более глубоких слоев переходило в так называемую гамма-модификацию, способную растворить наибольшее количество азота. При этом детали любых размеров и самой сложной формы успешно азотировались на значи­ тельную глубину.

Поверхность деталей приходится насыщать не только азотом и углеродом. Если нужно уменьшить, например, трение, инженеры прибегают к сульфидированию, то есть к насыщению металла серой. И этот процесс можно уско­ рить электронно-химическим способом, комбинируя электроискровую обработку с насыщением поверхности металла серой (авторское свидетельство Г. Щербинского 139336). Для этого электроды небольшой электроискро­ вой установки следует изготовить из сернистого железа и затем «пройтись» ими по поверхности обрабатываемой детали. При таком способе сера проникает на глубину около 0,1 миллиметра, что увеличивает, например, стой­ кость волочильных матриц более чем в 3 раза. Достоин­ ство способа в простоте и эффективности, обеспечиваю­ щей значительное повышение износостойкости деталей и инструмента.

До сих пор мы говорили об основных операциях в общем сложном процессе обработки. Но изменение формы металла начинается зачастую с кропотливой ручной рабо­ ты — разметки металлических листов или болванки. Это

291

всего лишь вспомогательная операция, но исключительно трудоемкая, требующая высокой квалификации от работ­ ников, почти не поддающаяся механизации. Рабочие-раз­ метчики с помощью чертилок, рейсмусов, линеек, кернов, как и десятки лет назад, ползая по лежащим на полу цеха стальным листам, старательно переносят геометрические фигуры с чертежей на металл.

Советские изобретатели К. Рамазанов, А. Полякова, Г. Зубовский и В. Ландышев предложили заменить тра­ диционную разметку электрофотографированием (автор­ ское свидетельство 134129).

По этому способу поверхность металла покрывают спе­ циальной эмалью, состоящей из окиси цинка и масляного лака и разбавленной бензином. Затем лист металла, под­ лежащий разметке, заземляют, и над ним помещают про­ волочный электрод, к которому подведен постоянный ток высокого напряжения (до 15 тысяч вольт). Между сталь­ ным листом и электродом возникает коронный разряд, воздух ионизируется, и ионы осаждаются на слой окиси цинка, который является полупроводником. Вся поверх­ ность детали зарядится отрицательно, станет как бы электрофотобумагой. Предварительно на стекле чертят шаблон-чертеж, т. е. делают простейший диапозитив. Те­ перь с помощью стандартного фотоувеличителя на деталь проектируется нужный чертеж. На затемненных участ­ ках детали, там где проектируются линии чертежа, заряд сохранится, на освещенных участках заряд исчезает. По­ лучается электрофотографическое изображение, пока еще невидимое.

Проявляют скрытое электрическое изображение весь­ ма простым проявителем: это бензин, в каждом литре которого растворены два грамма типографской краски. Частицы краски притягиваются к тем местам на поверх­ ности детали, которые сохранили свой заряд после дей-

292

ствня света, п образуют таким образом видимое изобра­ жение. После сушки изображение покрывают защитным покрытием, например масляным лаком.

Электрографический способ позволяет не только уско­ рить, но и полностью автоматизировать разметку.

Так в металлообработку пришел электронный инстру­ мент — универсальный и незримый.

Детали, растущие, как цветы

«Способ создания деталей любой формы» — новое советское изобретение

Слова Горького о невиданном сближении фантасти­ ческого и реального в наши дни сбываются на каждом шагу. Нередко бывает, что в то время как сам писательфантаст еще считает свою идею нереальной, инженеры уже получают авторские свидетельства на вполне реаль­ ные способы ее осуществления и даже приступают к первым практическим опытам.

Предоставим слово писателю Борису Агапову, кото­ рый несколько лет назад писал: «... разрешите перейти в сферу фантастики и уже не считаться с состоянием техники и даже с уровнем науки сегодняшнего дня.

Представьте себе, что формы нет. Вместо нее сущест­ вует нечто лишенное веса, однако обладающее способ­ ностью переносить и размещать частицы материала так, как мы того хотим.

Или, быть может, это идеализм? Как может нечто, лишенное веса, следовательно, как бы невещественное, служить формой, играть роль матрицы, которая должна управлять размещением частиц?!

Если бы я знал, как это сделать, то сперва я написал бы не очерк, а заявку на изобретение. Я не знаю...»

Писатель продолжает фантазировать дальше:

293

«И вот вообразите себе, что, например, в куске про­ зрачной эмульсии, как в аквариуме, начинает возникать нечто. Сперва появляется как бы туманность, помутне­ ние, некая непрозрачность, которая все уплотняется, тем­ неет, и через несколько минут вы с трепетом видите, что за стекловидным слоем лежат вполне законченные, очень изящные ручные часы. Вы оглядываетесь, ища: где же станки, где отдел контроля, где конвейер? Нет станков! И даже конвейер, этот символ производства XX столе­ тия, отсутствует. Есть куски стали, кусок меди, кусок плексигласа и куски, которые помещены в пределах того же куска эмульсии, и есть система аппаратов, образую­ щих электрический транспорт невидимо крошечных час­ тиц к месту их «оседания», то есть в системе полей, при­ нимающих частицы и дислоцирующих их в зависимости от схемы, от матрицы модели. Медь «оседает» в виде шестеренок, сталь — в виде осей и пружин, плексиглас ложится в пространстве стекла над циферблатом буду­ щих часов...

Автоматическая рука вынимает маленький кубик студ­ ня, в котором родились часы, и заворачивает его в га­ рантийный листок. Товар готов к распределению...»

Действительно фантастично! А теперь взгляните в «Бюллетень изобретений» — официальное издание Коми­ тета по делам изобретений и открытий при Совете Мини­ стров СССР. Беспочвенным фантазиям, смутным пред­ положениям, неточным расчетам вход сюда заказан строго-настрого. Прежде чем авторское свидетельство будет выдано, предложение проходит придирчивую про­ верку в авторитетных научных организациях не только на новизну, но и на реальную осуществимость. И лишь те, что благополучно проскочат мимо Сциллы и Хариб­ ды патентной экспертизы, становятся полноправными изобретениями.

294

Итак, заглянем в «Бюллетень изобретений» № 19 за 1961 год. Под номером 141713 стоит «М. И. Попов, И. М. Попов. Способ создания деталей любой формы». За традиционной технической формулировкой предмета изобретения скрывается метод, до неправдоподобия по­ хожий на фантазию писателя.

Знаменитый французский скульптор Огюст Родэн, когда его спрашивали, как он работает, любил говорить: «Я беру кусок мрамора и просто удаляю все лишнее». Собственно, так работал не только Родэн. Все известные до сих пор методы металлообработки основаны пример­ но на том же. Миллионы токарных, фрезерных, свер­ лильных, строгальных, шлифовальных и других станков во всех странах мира только и делают, что «удаляют лишнее», перегоняя значительную часть ценного металла в бесполезную стружку.

Но разве нельзя делать наоборот, заполнять будущее тело детали металлом? Н»е говоря о стопроцентном ис­ пользовании материала, этот метод обладал бы абсо­ лютной универсальностью. Подобно звукозаписи, теле­ видению, фотографии, способным зафиксировать и вос­ произвести с любой громкостью и в любом масштабе любой звук и любое изображение, новый метод явился бы решением проблемы формообразования в общем ви­ де, ибо был бы пригоден для создания деталей любой конфигурации. И изобретатели Поповы предложили та­ кой метод.

...Медленно вращающиеся валки неторопливо подают металлический стержень-электрод. Он входит в высоко­ температурную плазменную горелку — закрытую каме­ ру, куда при высоком давлении вдуваются инертные газы: гелий, аргон, неон и т. д. Между электродом — ано­ дом — и соплом горелки — катодом — возбуждается ду­ говой разряд с высокой плотностью тока. Материал ано­

2 9 5

да переходит в плазменное состояние. Электромагнитные силы сжимают полученную плазму в тонкий, как игла, шнур, который, выходя из камеры, фокусируется элект­ ромагнитной линзой, слегка охлаждается инертным га­ зом и оседает на специальном плоском экране. Две маг­ нитные системы, вертикальная и горизонтальная, напо­ добие тех, что имеются в каждом телевизионном прием­ нике, управляют плазменным пучком, развертывая его по всему экрану. Таким образом, деталь создается на­ ращиванием металла слой за слоем, причем каждый слой получается точно так же, как получается изображение на телевизионной трубке. Впрочем, еще большую аналогию с предлагаемым методом имеет даже не образование са­ мого изображения, а образование ионного пятна — тон­ чайшей металлической пленки из осевших ионов метал­ ла. Только здесь это вредное явление, усиленное во много раз, становится полезным.

Как только воображаемая полость детали заполнена, контрольное оптическое устройство, непрерывно следя­ щее за наращиванием металла, подает сигнал, и система автоматически выключается. Деталь готова.

После широкого внедрения новый метод произведет революцию во всей металлообработке. Он позволит бы­ стро и точно получать детали любой формы, любого состава (металлы, пока они в парообразном состоянии, можно смешивать в любых пропорциях), даже из самых тугоплавких и труднообрабатываемых материалов.

Тысяча солнц в одной руке

Лазерная сварка. Световой луч сверлит, строгает, фрезерует

Появился луч. Он был тонок, как вязальная спица, и шел, не расширяясь. Светящийся зеленоватый дым

296

взлетел клубами. Все, что только могло гореть, превра­ щалось в языки пламени. Земля вспучилась, небо точно улетело вверх над всей равниной. Пространство запол­ нилось зелено-розовым светом. Поднялся рев разверз­ шейся земли. Сотрясались горы. Ураган потряс и при­ гнул деревья.

Так представляли себе действие мощного теплового луча писатели-фантасты Герберт Уэллс и Алексей Тол­ стой. С его помощью хотели покорить Землю экипажи марсианских кораблей, на его всесокрушающую силу опирался петроградский авантюрист Петр Петрович Гарин. Идея об использовании сконцентрированной теп­ ловой энергии для создания оружия огромной разрушаю­ щей силы стала бродячим сюжетом научной фантастики.

Но не только фантасты мечтали о чудесных лучах. История создания тепловых лучей сохранила для потом­ ков имя Гринделла Мэтьюза. В один день он стал миро­ вой знаменитостью. Лицо изобретателя глядело со страниц десятков газет и улыбалось на обложках жур­ налов. Пресса пестрела бойкими заголовками: «Сенса­ ция XX века! Мэтьюз изобрел лучи смерти. Он взрывает на расстоянии плавучие мины, останавливает моторы, убивает крыс».

Газеты сравнивали изобретателя с Архимедом, кото­ рый по преданию сжег в 212 году до нашей эры враже­ ский флот у Сиракуз. Но слава Мэтьюза была недолгой. Он оказался мошенником, ловко обманувшим коррес­ пондентов. Секрет его лучей был очень простым. Они приводили в действие искусно пристроенные механизмы, снабженные обычными фотоэлементами.

Анализируя причины неудачи, многие ученые доказы­ вали в то время, что создать мощные тепловые лучи вообще никогда не удастся. Рассеяние лучистой энергии, невозможность получить абсолютно параллельный пучок

лучей, не расходящийся на расстоянии, ставили, по их мнению, крест на вековечной мечте фантастов о светя­ щемся тепловом шнуре.

Однако изобретатели не теряли надежды. Ведь если нельзя получить абсолютно нерасходящийся луч, рас­ хождение его можно сильно уменьшить. А кроме того, можно резко увеличить яркость источника света.

Западногерманский специалист по ракетной технике Е. Зенгер связывал свои надежды с ртутной или урановой плазмой. По его расчетам, нагрев уран или ртуть до тем­ пературы 150 000 градусов, мы получим источники света в миллиарды раз ярче Солнца. С их помощью, несмотря на неизбежное рассеивание лучей и несовершенство оп­ тических систем, можно получить свето-тепловые пучки, способные сжигать все живое на расстоянии в сотни километров.

Нагреть вещество до 150 000 градусов мы умеем, но создать зеркало, способное отражать чудовищный тепло­ вой поток, задача невыполнимая для сегодняшней тех­ ники.

И все же могучие световые лучи появились. Создать их помогла квантовая электроника.

Из физики известно, что атомы способны испускать и поглощать свет только строго определенными крохотны­ ми порциями-квантами. Поглощаясь атомами вещества, световые кванты приводят их в неустойчивое, метастабильное состояние. Стоит «постороннему» световому кванту «толкнуть» такой возбужденный атом, как избы­ ток накопившийся в нем энергии выделится в виде излу­ чения. На этом и основано действие знаменитого лазе­ ра — квантового усилителя света.

Представьте, что в веществе собралось множество воз­ бужденных атомов. Достаточно теперь «выстрелить» в него слабым световым пучком, как свежие кванты вы-

£98

светят из него всю энергию, накопившуюся ранее. Про­ изойдет «световой взрыв», и из лазера вырвется ярчай­ ший световой луч.

Теоретические основы, необходимые для разработки квантовых генераторов, были заложены советскими физи­ ками, лауреатами Ленинской премии А. М. Прохоровым и Н. Г. Басовым. А в декабре 1960 года уже начался их серийный выпуск.

Принципиальная схема лазера довольно проста. Это миниатюрный рубиновый стерженек диаметром 6—7 мил­ лиметров и длиной 4—5 сантиметров с посеребренными гранями. Стерженек окружен трубчатой импульсной лам­ пой, какие обычно применяются при стробоскопической съемке. Сначала от источника постоянного тока заря­ жается батарея конденсаторов. Когда напряжение ее достигает 5—10 тысяч вольт, происходит разряд. Ярко вспыхивает импульсная лампа, и часть ее света погло­ щается рубином. Вспышка следует за вспышкой до тех пор, пока материал лазера до предела будет накачан энергией. Теперь сквозь небольшое отверстие в серебря­ ной пленке внутрь кристалла впускают тоненький све­ товой лучик. Он сразу же начинает метаться между посеребренными стенками, высвечивая по дороге все новые миллионы метастабильных атомов. Наконец, алое световое копье вырывается сквозь отверстие во втором торце и устремляется наружу. Яркость его в миллионы раз ярче Солнца. Причем свет почти не расходится, так зто яркость его с расстоянием ослабевает весьма незна­ чительно. Есть, например, проект лазера, угол расхож­ дения луча которого составляет всего одну угловую се­ кунду. В будущем такие лучи используют для межзвезд­ ной связи, для снабжения искусственных спутников энергией, для «раскачки» молекул и управления скоро­ стью химических реакций.

299