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

мися, возникают удары, образуются местные уплотнения. На очень коротком участке давление воздуха скачкооб­ разно растет, па пути струи возникает как бы невидимая воздушная плотина. Эти скачки, которые так п называ­ ются «скачки уплотнения», с большой силой обрушива­ ются на самолет. По своему действию они мало чем от­

есть скачок уплотнения.

Теперь представьте себе, что по оси проволоки, только что вышедшей из ванны с расплавом олова или свинца, навстречу ее движению дует сверхзвуковая воздушная струя. Образующаяся поперек оси воздушная плотина — ударная волна — сдувает жидкий расплав, оттесняет его назад, оставляя на проволоке тонкий слой покрытия, ров­ но столько, сколько необходимо. Меняя скорость воздуш­ ного потока и встречного движения проволоки, можно в широких пределах менять перепад давлений в скачке уплотнения, оставлять на проволоке больше или меньше расплава. Раньше, когда расплав пробовали сдувать с проволоки обычной, дозвуковой воздушной струйкой, на­ пора для преодоления сил вязкости и поверхностного на­ тяжения расплава не хватало, покрытие получалось все равно толстым и неравномерным. Правильная идея каза­ лась бесперспективной.

Устройство, предложенное изобретателями, представ­ ляет собой небольшой цилиндр, в котором имеется специ­ ально спрофилированная осевая полость — газовая каме­ ра — и боковое отверстие. Через боковое отверстие в камеру вдувается нагретый до определенной температуры и сжатый предварительно компрессором газ, а вдоль осе­ вой полости протягивается проволока. Температуру на­ грева газа выбирают близкой к температуре покрываю­ щего металла в ванне, чтобы он был достаточно жидкоте-

340

куч. Вырывающийся из реактивного сопла газ образует скачок уплотнения, сдувающий с проволоки почти весь расплав.

Поскольку проволока не касается стенок сопла, оно годится для разных профилей и разных диаметров прово­ локи, не изнашивается и может служить практически вечно. Сопротивление движению проволоки падает почти

Проволока протягивается сквозь сопло.

до нуля, нет натяжения, которое грозило бы ее порвать, поэтому скорость лужения можно повышать почти неогра­ ниченно. Фактически в экспериментах с медной проволо­ кой диаметром 0,35, 0,20 и 0,12 миллиметра были достиг­ нуты скорости в 200, 500 и даже 1 000 метров в минуту. Толщину покрытия удавалось довести до одного и даже до половины микрона. Обычными съемниками это сде­ лать совершенно невозможно.

Широкое внедрение аэродинамического удара в произ­ водство дает большую экономию цветных металлов. Оно станет возможным после разработки первых промышлен­ ных образцов лудильных машин, работающих на новом принципе.

341

Взрывающиеся кристаллы

Закалка деталей перестраивающейся кристаллографиче­ ской решеткой висмута

«Если удастся повысить давление, развиваемое гидрав­ лическими компрессорами, то использование эффекта давления для улучшения пластичности и повышения проч­ ности сталей станет более реальным».

Эти слова принадлежат известному советскому учено­ му, члену-корреспонденту АН СССР Леониду Федорови­ чу Верещагину, пионеру в области создания и практиче­ ского применения высоких давлений в нашей стране. Дей­ ствительно, многочисленные опыты, проведенные в Лабо­ ратории физики сверхвысоких давлений АН СССР, а также данные, полученные зарубежными учеными, ясно показывают, что не только механические, но и электриче­ ские, магнитные свойства сталей и других машиностро­ ительных материалов существенно улучшаются, если под­ вергнуть их выдержке при давлениях порядка 25 000 атмосфер и выше. Сталь, например, под таким давлением становится втрое прочнее, хрупкий серый чугун, берил­ лий, фосфористые бронзы, глинозем, даже мрамор дела­ ются пластичными и ведут себя, как глина. После того, как давление снято, полезные изменения свойств частич­ но удерживаются материалом.

«Эффект давления», как называют это явление физики и металловеды, особенно заманчиво стало использовать в наши дни, когда в машиностроении получили широкое распространение новые тугоплавкие, жаропрочные, хими­ чески стойкие материалы. Хотя они обладают высокой прочностью, эти материалы часто настолько малопластич­ ны, хрупки, что делать из них ответственные детали про­ сто рискованно.

3 4 2

Высокие давления —- вот что поможет нам устранить хрупкость. Но как их создать? На первый взгляд все кажется очень просто. Ведь даже портниха, втыкая паль­ цем острую иглу в ткань, создает давление порядка тыся­ чи атмосфер. В несколько раз большее давление разви­ вает парикмахер, срезая наточенной бритвой тонкие воло­ сы. Обыкновенная оса, вонзая ядовитое жало в тело жертвы с силою всего 1 миллиграмм, создает давление порядка 300 тысяч атмосфер. «При столь чудовищном давлении оса могла бы проколоть крепчайшую стальную броню, если бы само жало обладало достаточной прочно­ стью», — пишет в «Занимательной физике» Перельман. К сожалению, и портниха, и парикмахер, и оса умеют создавать высокие давления лишь в крошечных объемах. Чем выше давление, тем тоньше должна быть игла — пуансон. Кстати, по этому же пути пошли и создатели искусственных алмазов. Чтобы достичь 100 тысяч атмо­ сфер при 2000° С, ученые из Института высоких давлений сконструировали малогабаритную камеру, в которую вхо­ дят шесть поршеньков-пуансонов, торцы которых сведе­ ны на конус. Мощными гидравлическими цилиндрами они сдвигаются в одной точке. Между конечными гранями пуансонов образуется небольшая кубическая камера, куда закладывают крохотный кубик. Ну, а нам-то нужно закладывать не кубики, а большие, громоздкие детали: коленчатые валы, кулачки, оси, зубчатые колеса и т. д. Тут уж удобнее пользоваться гидрокомпрессорами, поз­ воляющими создавать давление в достаточно больших объемах. Погрузил обрабатываемые детали в бак, нака­ чал туда под высоким давлением воду — и готово. Ведь таким способом, запрессовав в стенку бака фильеру, уже удается экструдировать сталь, выдавливать ее сквозь фасонное отверстие. Но беда в том, что установки такого рода пока еще уникальны, недоступны даже крупным за­

343

водам. Да и возможности создания в них сверхвысоких давлений все же ограничены. Каждая лишняя сотня ат­ мосфер влечет за собой новые конструктивные трудности и расходы.

Итак, чем давление выше, тем качественнее, прочнее будут обжатые детали, но тем дороже они обойдутся. Расходы на дорогостоящее оборудование сведут на пет все выгоды от повышения качества.

Чрезвычайно оригинальным образом это противоречие разрешил американский изобретатель Альфред Бобров­ ский (патент США 3156974). Запатентованный им в кон­ це 1964 года способ позволяет повысить давление, разви­ ваемое гидрокомпрессором, в несколько раз, причем для этого не требуется почти никаких дополнительных расхо­ дов и переделок. Бобровский изобрел своего рода повы­ шающий трансформатор для давления, причем единствен­ ная деталь, пз которой он состоит — болванка висмутово­ го сплава.

Как мы уже говорили, свойства веществ по мере повы­ шения давления постепенно меняются. Но иногда эти из­ менения происходят мгновенно, рывками. Так, если силь­ но сдавить обыкновенный лед, удельный вес его внезапно меняется и он начинает тонуть в воде. Это объясняется тем, что лед, как и всякое вещество в кристаллическом состоянии, состоит пз атомов, расположенных в опреде­ ленном порядке, который зависит от вида кристалличес­ кой решетки. Достигнув какого-то уровня, давление как бы сминает кристаллическую решетку, и атомы спешно перестраиваются, переходя в более плотную упаковку. Иногда сами атомы становятся меньше — внешнее дав­ ление заставляет электроны перейти на более близкие

кядру орбиты. Подобные перестройки называются по­ лиморфными. Кстати, уголь и алмаз — один из примеров,

кчему могут привести полиморфные перестройки. Так-

344

пот, лед может существовать в семи полиморфных моди­ фикациях, висмут — в пяти, причем все они отличаются по своему удельному весу.

Но возвратимся к сути изобретения. Пусть нужно силь­ но обжать какую-либо деталь. Ее кладут в прямоуголь­ ный ящик и заливают легкоплавким висмутовым спла­ вом. Образовавшийся брусок помещают в камеру давле­ ния гидрокомпрессора. Будучи мягким металлом, вис­ мут сжимается сильнее, чем заключенная в нем стальная или чугунная деталь, и хорошо передает ей давление жид­ кости. Без устали работает насос гидрокомпрессора, но стрелка прибора, измеряющего давление на деталь, пол­ зет по циферблату все медленнее, то и дело собираясь остановиться совсем. Установка уже у предела своих воз­ можностей. Еще немножко, еще... В районе 25 тысяч ат­ мосфер раздается глухой удар, и стрелка неудержимо устремляется вперед. 50, 75, 100 тысяч, 125... Словно ус­ тыдившись легкомысленного порыва, стрелка замедляет свой бег, останавливается, начинает медленно ползти назад. В чем дело? Не ошибается ли прибор? Нет. Все в полном порядке. Просто висмут при 25 тысячах атмосфер претерпевает полиморфическую трансформацию, мгно­ венно уменьшая свой объем почти на одну десятую. По­ скольку при высоком давлении мягкий висмут ведет себя, как жидкость, его усадка — это сильный гидравлический удар, сопровождающийся резким скачком давления. Если имеющийся гидрокомпрессор не в силах развить 25 тысяч атмосфер, вместо висмута можно взять церий. Он трансформируется уже при 7600 атмосферах. Интерес­ но, что перестройка кристаллической решетки — эффект обратимый. Стоит давление снять, как атомы снова за­ нимают прежнее положение.

Что касается «начинки» висмутового блока — обжима­ емой детали — то она под действием таких титанических

3 4 5

усилий, почти не меняя своих исходных размеров, нагартовывается, упрочняется, претерпевает закалку. Металл после обжатия, видимо, вследствие роста числа дислока­ ций, лучше сопротивляется усталости, меньше ползет при высоких нагрузках п температурах. Благодаря тому, что деталь подвергается здесь всестороннему сжатию, она упрочняется не только с поверхности, как при упрочнении взрывом, по по всему сечению. Кроме того, такой спо­ соб не требует точных дорогостоящих штампов и позво­ ляет упрочнять хрупкие материалы, несимметричные де­ тали с торчащими во все стороны выступами и отростка­ ми, чего нельзя делать ни во взрывной камере, ни под прессом. Наконец, важна и продолжительность обжатия. Под молотом она составляет всего несколько тысячных долей секунды, при прокатке — несколько сотых, под прессом доходит до нескольких секунд, но не больше. Поэтому не всегда удается получить хорошие результа­ ты. Новый способ позволяет довести выдержку до мину­ ты, до часа, а когда нужно, то до целой недели. Столь длительные статистические обжатия, как утверждает изо­ бретатель, дают наибольший остаточный эффект.

Перепутавшиеся атомы

Тайна нароста, история открытия диффузионной сварки и ее возможности

Говорят, что время случайных находок в науке прошло. Что давным-давно минули времена, когда счастье выдаю­ щегося открытия могло улыбнуться наблюдательному прохожему, не поленившемуся нагнуться за блеснувшим на его пути необычным камнем.

Ну что ж, эти трезвые утверждения во многом справед­ ливы. Трудно, скажем, представить, чтобы современный электронный микроскоп был изобретен играющими деть-

346

мн, как это случилось с его обыкновенным, не электрон­ ным, предком. Не легче поверить и в то, что новое слово в такой развитой науке, как сварка, может сказать человек, весьма далекий от ее проблем.

Но все же и сегодня природа нет-нет, да и приоткроет завесу над своими тайнами перед пытливым взглядом настойчивого исследователя, вторгшегося в «чужую» об­ ласть науки. Конечно, взгляд этот должен быть предельно острым, наблюдательным и, если хотите, дерзким.

История эта началась давно, еще в конце прошлого века. И началась с неприятностей. Технологи —- специ­ алисты по резанию металла — в те годы впервые столк­ нулись с загадочным и коварным врагом. Без всякой ви­ димой причины резцы работающих станков начинала бить дрожь. Изделия, еще минуту назад отливавшие матовой гладью, покрывались предательской рябью.

Обнаружить виновников всех этих бед оказалось не­ легко. Лишь изредка на кончике резца невооруженным глазом можно было разглядеть еле заметный нарост. А чаще лишь микроскоп да тончайшие лабораторные ис­ следования были в состоянии обнаружить его присутст­ вие. Впрочем, и не видя нароста, технологи безошибочно узнавали о его появлении по поведению резца, немедлен­ но выходившего из повиновения. Да и не в обнаружении нароста состояла задача. Она заключалась в объяснении его, в поиске средств борьбы с этим страшным и неумо­ лимым врагом точности н качества обработки.

Задача это оказалась не из легких.

Десятки лет ученые занимались и упорно занимаются проблемой нароста, а решения — кардинального и окон­ чательного— все еще нет. Придирчиво вглядываясь в замысловатые узоры микрофотографий, анализируя рас­ сыпчатые полосы рентгенограмм, исследователи все боль­ ше склонялись к мысли, что предательский нарост — это

3 4 7

налипшие на резец частицы обрабатываемого металла. Под чудовищным давлением, возникающим на режущей кромке, раскаляясь докрасна от трения, спрессовываясь в плотный комок, они прилипают к поверхности инстру­ мента.

В технических журналах появлялись все новые и новые статьи, подтверждавшие эти соображения. И казалось, что вот-вот будут получены последние данные, раскрыва­ ющие тайны нароста.

Но природа не слишком охотно расстается со своими секретами. II когда до разгадки тайн нароста оставался, казалось, всего одни шаг, нехитрый опыт поколебал и разрушил стройное здание теорий, возведенное исследо­ вателями. Он был предельно прост, этот опыт. Маленькую алмазную пирамидку с одной и той же силой вдавили в бугорок и в обрабатываемую деталь. Вдавили — и не по­ верили своим глазам. Углубление, оставшееся на бугор­ ке, оказалось значительно меньше, чем углубление на де­ тали. Этому, действительно, было трудно поверить. Ведь результат опыта мог означать лишь одно: твердость бугорка была в несколько раз выше твердости материала, из которого, как считали ученые, он состоял. Это было парадоксально, невероятно. Но спорить с фактами трудно.

Окончательный удар по старым представлениям на­ несли более тщательные металлографические исследова­ ния. Беспристрастный глаз микроскопа и фотокамеры обнаружил в бугорке вместо ожидаемых беспорядочных слоев налипшего металла... стройную кристаллическую решетку. Это явно был не тот металл, из которого состоя­ ла заготовка. Или, если быть более строгим, не совсем тот и не просто тот металл, который снимался резцом.

II вот тогда-то советский ученый, работник Института мясо-молочной промышленности, Николай Федотович Ка­ заков впервые назвал вещи своими именами. В появлении

348

нароста была повинна сварка! Частицы металла не прос­ то прилипали к поверхности резца — они приваривались к ней. Да так прочно, что этому соединению позавидовал бы любой другой способ сварки.

Мудрая старинная поговорка утверждает: ничто не но­ во под луной. Вообще говоря с ней можно спорить, но в данном случае она полностью оправдалась. У нового типа сварки, открытого Казаковым, нашлись хоть и не слиш­ ком близкие, но зато довольно давно известные человеку родственники.

Кузнецы с незапамятных времен соединяли разогретые куски металла, не доводя их до плавления. Раскалив стальные полосы в горне, они сильными ударами прижи­ мали их друг к другу. И после охлаждения получали цельный и прочный единый кусок металла.

Правда, чтобы добиться этого, нужно было использо­ вать специальные приемы. Стальные полосы в горне по­ сыпали особым кварцевым песком, который, сплавляясь с окалиной, покрывал их тонкой блестящей пленкой шла­ ка. При первых же ударах молота эта пленка разлеталась искристыми брызгами, обнажая чистые, неокисленные слои металла. Только так можно было получить хорошее соединение. Без песка металл в горне «горел», покрывал­ ся прочными слоями окислов, и никакие усилия кузнецов не помогали.

Ученый без труда подметил те же закономерности в об­ разовании нароста. Он появлялся, если в точке, где стружка касалась резца, не было пленок окислов. Это происходило лишь в тех случаях, когда стружка, с силой прижимаясь к инструменту, «сдирала» с него окислы, об­ нажая чистые слои металла. Если же окисная пленка оставалась целой, никакого нароста не появлялось. Резец мог работать часами, не подавая никаких угрожающих сигналов.

349