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

Ученые предложили наносить на поверхность деталей так называемые энерговыделяющие пасты. Эти пасты на­ гревают металл за счет тепла происходящих в них экзотермических реакций, а потом насыщают его по­ верхность активными легирующими элементами. В ка­ честве энерговыделяющей компоненты лучше всего использовать смеси кислородосодержащих веществ с порошками алюминия, магния, кальция и других метал­ лов, обладающих большим сродством с кислородом. Кроме того, в пасту, соответственно, вводят диффузион­ но-активную составляющую — вещество, которое при нагреве выделяет легирующий элемент, тут же начина­ ющий диффундировать в обрабатываемую деталь. Для получения требуемой консистенции в пасту добавляют связующие.

Сама технология химико-термической обработки пре­ дельно проста. Детали, намазанные той или иной пастой, засыпают сухим песком (иногда пх оставляют даже ле­ жать на открытом воздухе) н поджигают. Детали сильно разогреваются, причем температуру нагрева регулируют, подбирая нужное количество энерговыделяющего ком­ понента, и легирующие элементы легко проникают в нее. А через 2—3 минуты обгоревшие болванки бросают в воду для охлаждения. На этом весь процесс заканчи­ вается.

Таким способом изобретатели успешно производили борирование, алитирование, карбонитрирование деталей из углеродных сталей, причем твердость их поверхност­ ного слоя увеличивалась в несколько раз.

По мнению начальника отдела металловедения и тер­ мообработки ЦНИИ технологии и машиностроения А. А. Астафьева и заведующего лабораторией Ю. Н. Грибоедова, дававших отзыв на это изобретение, приме­ нение его особенно целесообразно для упрочнения прямо

320

в поле быстроизпашииающихся деталей землеройных и сельскохозяйственных машин.

Ионная цементация

Химико-термическая обработка ионным пучком

Известны десятки различных способов химико-терми­ ческой обработки, но самый удивительный и универсаль­ ный из них — ионный. Вместо того, чтобы нагревать металл в газовых или жидких средах, его начинают обстреливать ионами соответствующих атомов. Внедря­ ясь в кристаллическую решетку наружных слоев метал­ ла, ионы хрома хромируют, ионы кремния силицируют, а ионы бора борируют их. Более того, этот способ поз­ воляет выполнять работу и тоньше: удалять из отдель­ ных атомов электроны, насыщать кристаллическую решетку нейтронами и т. д. Это дает возможность в свою очередь очень тонко влиять на металл. Правда, сейчас эту возможность металловеды используют еще слабо, поскольку плохо изучена связь между физической микро­ структурой и такими важными механическими свойства­ ми металла, как прочность, вязкость, износостойкость.

Атомная термообработка

Отходы атомной энергетики можно использовать для модифицирования чугуна

Удара молотка достаточно, чтобы расколоть на части деталь из белого чугуна. Ковкий чугун, наоборот, про­ чен, вернее, вязок, как сталь. Именно из него машино­ строители льют картеры двигателей, корпусы редукто­ ров, станины прессов и другие ответственные детали.

По своему составу белый чугун не отличается от ков­ кого. Но углерод в нем химически соединен с железом —

321

образует цементит. Заостренные клинья цементита и обусловливают хрупкость белого чугуна. В ковком же чугуне графит присутствует в виде безобидных шари­ ков — глобулей.

Разумеется, есть способы для превращения белого чугуна в ковкий. Например, нагрев в томильной печи. Там детали выдерживают при высокой температуре по нескольку суток. Можно модифицировать чугун магни­ ем. Для этого стакан с магнием опускают па штанге в чугунный ковш. Встреча двух металлов, похожая на взрыв, сопровождается выделением тепла. Под действи­ ем высокой температуры цементит распадается на желе­ зо и углерод, который сворачивается в шарики. Из бе­ лого чугун становится ковким.

Другой способ заключается в том, что белый чугун облучают электронами и нейтронами. Такая бомбарди­ ровка тоже меняет свойства кристаллической решетки в желаемом направлении. Однако требуется дорогостоя­ щее оборудование, да и сам чугун становится радиоак­ тивным. А это уже совсем нежелательно.

Сотрудники института металлургии им. А. Байкова В. Шалашов, И. Пронман, А. Жуков, А. Брегер, В. Голь­ дин и В. Осипов предложили недавно еще один способ (авторское свидетельство 162563), обладающий тем до­ стоинством, что он позволяет использовать дешевые от­ ходы атомной энергетики, не активирует детали и поз­ воляет резко сократить продолжительность отжига. Способ заключается в облучении деталей из белого чу­ гуна гамма-лучами. При таком облучении в кристалли­ ческой решетке происходят как бы микровзрывы, сопро­ вождаемые мгновенными, длящимися стомиллиардные доли секунды, и высокотемпературными — до 10000° — тепловыми всполохами. Эти всполохи и заставляют гра­ фит принять безобидную глобулярную форму. В некото-

322

рых экспериментах превращения белого чугуна в ков­ кий удавалось добиться за какие-нибудь два часа. В общем случае оказывалась достаточной 12-часовая ра­ диационно-термическая обработка при 800°. В качестве источника гамма-лучей изобретатели брали радиоактив­ ный кобальт, мощность дозы составляла 400 рентген в секунду.

Новый способ позволит резко сократить продолжи­ тельность технологического цикла термообработки бело­ го чугуна, удешевит ее и откроет перед ним новые обла­ сти применения.

Вода побеждает усталость

Струя высокого давления повышает усталостную прочность

Усталость металла — наиболее частая причина ава­ рий быстроходных турбин, самолетов, высокооборотных моторов. «Вода камень долбит» — сравнительно неболь­ шие, но многократно действующие нагрузки способны расшатать структуру вполне доброкачественного метал­ ла, вызвать появление предательской усталостной трещи­ ны. Тогда окончательное разрушение — лишь вопрос времени. Чаще всего усталостные трещины возникают близ отверстий, смазочных канавок, надрезов — так на­ зываемых концентраторов, как бы концентрирующих, стягивающих к себе напряжения. Чтобы деталь дольше не «уставала», чтобы она лучше сопротивлялась разру­ шающим нагрузкам, ее упрочняют — наклепывают по­ верхность, создают в ней сжимающие напряжения. Для этого имеется несколько способов. Так, детали типа валов накатывают, обжимают их поверхность специаль­ ными твердыми роликами. Листовые рессоры автомоби­ лей, пружины, штоки паровоздушных молотов обдувают

3 2 3

сильным потоком дроби. Ударяясь, дробинки вдавли­ вают металл, оставляют на его поверхности вмятинки, создающие остаточные напряжения и повышающие уста­ лостную прочность детали.

Ну, а если деталь не имеет правильной геометрической формы, если она хрупка, а поверхность ее требует хоро­ шей чистой отделки? Очевидно, ни обкатывать ее роли­ ками, ни обдувать дробью в этом случае нельзя. Так как же повысить ее усталостную прочность, если ни один из известных способов нас не устраивает? Очевидно, нужно придумать какой-то новый, еще не известный способ. Это и явилось предметом изобретения молодого уральского инженера Бориса Григорьевича Козина (авторское сви­ детельство 135094). Изобретатель предложил заменить ролики или дробь водой. Он рассуждал примерно так. Если направить на деталь слабую водяную струю, она будет ее просто мыть. При сверхвысоких давлениях во­ дяная струйка превращается в режущий инструмент, способный рассечь стальную плиту. Значит, плавно ме­ няя давление, можно получить и такую струю, которая бы детали не разрезала, но была бы достаточно силь­ ной, чтобы уплотнить, наклепать их поверхности не хуже дробинок. Элементарный подсчет показывает, что для деталей из углеродистых конструкционных сталей впол­ не достаточно 4—6 тысяч атмосфер. Универсальность, удобная регулировка, возможность легко изменять сте­ пень упрочнения — вот основные преимущества нового метода. А кроме того, вода, в отличие от дробинок, не царапает чисто отделанные поверхности, водяной струей легче забраться во внутренние полости, карманы, обра­ ботать отверстия, пазы, канавки — все наиболее опасные с точки зрения усталостных напряжений места. Необхо­ димое оборудование сводится к специальному соплу и насосу высокого давления.

324

По мнению известного специалиста по прочности док­ тора технических наук Ивана Васильевича Кудрявцева, дававшего отзыв па изобретательскую заявку, «предла­ гаемый Козиным способ повышения усталостной проч­ ности путем гидроструйного поверхностного наклепа не­ сомненно заслуживает большого внимания и в практике еще не применялся. Особенный интерес он может пред­ ставлять при обработке деталей сложной конфигурации, где упрочнение известными до настоящего времени спо­ собами затруднительно, а также для мелких и точно изготовленных деталей».

Металл упрочняет сам себя

Фазовый наклеп — старый способ, у которого большое будущее

Еще в 1915 году профессор Петроградского политех­ нического института М. Г. Окнов высказал чрезвычайно смелую идею. Настолько смелую, что лет тридать о ней почти не вспоминали. И лишь совсем недавно стала ясна ее техническая осуществимость и эффективность.

Окнов предложил упрочнять сталь наклепом не за счет внешних сил, как это обычно делается на молотках и прессах, а за счет внутренних изменений, происходя­ щих в сплавах, когда они переходят из одного состояния в другое.

Оставьте на морозе бутылку с водой. И через несколь­ ко часов можете смело отправиться собирать ее осколки. Превратившись в лед, вода расширится и разорвет ваш хрупкий сосуд.

Но вот если налить воду в цилиндр из мягкой пластич­ ной стали, то после того, как цилиндр раздуется, вы можете обнаружить любопытнейшую вещь. Материал

325

цилиндра станет прочнее, лед продеформирует его, на­ клепает и тем самым упрочнит.

Аналогичные идеи заложены и в фазовом наклепе, предложенном М. Г. Окновым. Во время обработки в сплавах происходят так называемые структурные изме­ нения, кристаллическая решетка металла перестраивает­ ся. При этом старая структура не дает новой занять тот объем, который ей нужен. В материале возникают боль­ шие внутренние напряжения, которые вызывают пласти­ ческие деформации и значительный наклеп.

Для производства особенно важно, что эти внутрен­ ние деформации достаточно велики, чтобы привести к упрочнению, и в то же время с точки зрения внешней гео­ метрии детали они совсем незначительны. Окончатель­ ные размеры детали при этом меняются настолько мало, что до фазового наклепа ее можно обрабатывать практи­ чески начисто. После упрочнения, может быть, потре­ буется только незначительная доводка размера шлифов­ кой или полировкой. С точки зрения коробления и дру­ гих неприятностей размеры изделия не играют роли, фазовый наклеп можно применять и для крупных и для очень сложных деталей.

Достоинства и эффективность этого «старого-нового» метода совершенно очевидны. Скажем, сейчас очень ши­ роко применяются дешевые конструкционные стали, та­ кие, как Ст. 1, Ст. 2, Ст. 3, содержащие менее трех деся­ тых процента углерода. Эти стали, как говорят произ­ водственники, «не калятся». Поэтому их используют в том виде и с теми свойствами, которые они получают после прокатки и охлаждения на воздухе. А получают они не слишком много: предел прочности порядка 30— 50 килограммов на квадратный миллиметр.

Между тем исследования показали, что при более интенсивном охлаждении в основном за счет фазового

326

наклепа можно эти цифры повысить в два, а то и в три раза — до 80—90 килограммов.

Такое упрочнение имеет громадное экономическое зна­ чение. Ведь углеродистые стали широко применяются в строительстве. И, повысив прочность вдвое, можно бу­ дет уменьшить, например, в два раза сечение железобе­ тонной арматуры без всякого ущерба для прочности сооружений!

Другими словами, фазовый наклеп сэкономит стране миллионы тонн стали.

Полет в печи

Листовой металл на воздушной подушке

Термическая обработка алюминиевого листа после прокатки связана с одной характерной трудностью: алю­ миний настолько размягчается, что любое соприкосно­ вение с твердой поверхностью влечет за собой появление царапин. Ну, а как протащить такую многометровую «неженку» через нагревательную печь, не поцарапав ее? Такие же трудности возникают при сушке металлических полос с декоративными покрытиями и при уходе за больными, пострадавшими от ожогов. Действительно, человеку с обожженной кожей самое нежное прикосно­ вение причиняет боль. Зная это, врачи 3—4 года назад взяли пример с транспортников и сконструировали осо­ бые кровати, в которых больные лежат на воздушной подушке, ни на что не опираясь, кроме невидимых воз­ душных струй; сейчас английские инженеры из одной бирмингамской металлургической фирмы решили пере­ нести этот способ в металлообработку. Разработанная ими конструкция позволяет алюминиевым листам как бы плавать на подушке из газа, направляемого струями из распределителя. Газовая подушка не только поддер­

327

Экзотика 7металлообработки

Ни одна классификация не может быть абсолютно пол­ ной. Казалось, мы все уже разложили по полочкам, все изобретения рассортировали по соответствующим груп­ пам: ковку к ковке, литье к литыо и т. д. Но в конце кон­ цов, обязательно обнаруживаются новинки, оставшиеся бесприютными, проскочившие через самую частую клас­ сификационную сеть, ибо их нельзя отнести ни к одной устоявшейся группе. Весь этот остаток, эти многообещаю­ щие бутоны еще не распустившихся полностью новых, кажущихся пока экзотическими, направлений металлооб­ работки мы собрали в последней, заключительной главе.

329