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

ка либо вовсе не получится, либо выйдет никудышной, с неровной поверхностью или даже дырявой.

Вторая важная черта кристаллизации, сказывающаяся

избежать образования усадочной раковины, если жидкий металл будет затвердевать не как попало, а направлен­ но — снизу вверх.

Казалось, что это ограничение окончательно заводит в тупик решение проблемы литья крупногабаритных тонко­ стенных изделий.

В самом деле: каким образом заливать в форму ме­ талл, чтобы выполнить сразу все перечисленные требо­ вания?

Сверху? Тогда остывание начнется в нижних слоях и оттуда распространится вверх. Это то, что надо. Но даже не приступая к заливке, можно заранее сказать: ничего не выйдет. Жидкий металл придется сбрасывать с высоты, допустим, в 2—3 метра, если не больше, — ведь речь идет о крупногабаритной отливке. Если она мыслится из маг­ ниевого сплава (интерес к цельнолитым конструкциям из «крылатых» металлов — магния и алюминия особенно ве­ лик), то дело попросту кончится пожаром. А что будет с менее «вспыльчивым» металлом, например алюминием? Свободно падая с высоты, разлетаясь фонтаном огненных брызг, он «наглотается» кислорода и превратится в нечто трухлявое, начиненное окалиной. Спасенная от усадочной раковины такая тонкостенная конструкция все же ока­ жется непригодной. Специалисты определили: предель­ ная высота формы, которую можно заполнять сверху так называемым «дождевым» способом, — всего лишь 150 миллиметров.

А снизу? С помощью сифона? Металл в этом случае будет плавно подниматься, но затвердевать он станет не

30

в той последовательности, как требует закон направлен­ ной кристаллизации, а как раз в обратной. Кроме того, при сифонной заливке очень трудно отрегулировать ско­ рость движения металлической жидкости, а в высокой узкой форме — почти невозможно. Верхний, авангардный слой все время будет на грани застывания. Чем выше столб, тем более вероятен своего рода «тромбофлебит» — закупорка сосуда, полная или частичная. Чрезмерно побышать скорость подъема огненной жидкости также нельзя.

Есть, правда, компромиссное решение: отливать ци­ линдр, внутренний диаметр которого постоянный, а на­ ружный увеличивается с высотой, то есть внизу стенка останется 4-миллиметровой, а вверху, например, 20-мил- лиметровой. Таким путем удастся несколько замедлить остывание верхних слоев отливки. Но что в результате получится? Вместо тонкостенного цилиндра толстостен­ ный конус! Припуск больше самой детали! Нелепо!

Тем не менее именно так и поступают. Отливают стен­ ку с раструбом. Заготовку передают затем станочникам, и они, снимая горы стружек, реализуют первоначаль­ ный замысел.

Но и это производственное расточительство не приводит к желанной цели. Изготовленный «компромиссно» ци­ линдр наделен плохой наследственностью — его структу­ ра неоднородна: внизу более плотная, вверху—-менее плотная.

В вашей квартире отопительная батарея, ванна, рако­ вина — чугунные. Какими соображениями руководство­ вались, определяя толщину стенок этих изделий? Навер­ но, не эстетическими. Быть может, расчетами на проч­ ность? Тоже нет. Их сделали тонкими, как только могли. В 1965 году санитарно-техническая промышленность выпустила около полутора миллионов тонн изделий. Впол-

31

не допустимое уменьшение толщины стенок процентов па десять высвободило бы для народного хозяйства 150 ты­ сяч тонн чугуна. Рука об руку с экономистами выступают за тонкостенное крупногабаритное литье конструкторы. Их привлекает в этом материале многое.

Подобные ситуации искони благоприятствовали рожде­ нию свежих идей.

«Перевод деталей на литой вариант... легче обеспечива­ ет герметичность, чем в сборном варианте».

Эта фраза скромно завершает статью инженеров В. Д. Храмова и Е. В. Мишакова. Теперь название ее нам должно о многом говорить. А потому уместно будет за­ кончить трагическую историю, с которой начинается наш рассказ.

Когда упала «Комета», которая никак не должна была упасть, когда английские авиационные инженеры готовы были опустить в отчаянье руки, тогда кто-то предложил провести необычный эксперимент.

Самолет погрузили в закрытый сосуд с водой, где мож­ но было изменять давление. Испытываемый «образец» по­ переменно то поднимали, то опускали. Примерно то же происходит, когда самолет набирает высоту и спускает­ ся. Особенно значительным перепадам давления подвер­ гаются реактивные самолеты — ведь они летают в силь­ но разреженных слоях атмосферы. Герметичная оболочка, сохраняющая земные условия внутри самолета, как бы дышит, то расширяясь, то возвращаясь в первоначальное состояние.

Число искусственных циклов «вдох — выдох» соответ­ ствовало еще младенческому возрасту воздушного кораб­ ля, когда в воде произошла катастрофа: самолет лопнул, как детский шарик. Все стало ясно. Под воздействием переменной нагрузки в одном из сочленений сборной кон­ струкции появлялась щелка, нарушавшая герметичность.

32

И эта незаметная ранка под действием разности давлений превращалась в смертельную...

Теперь нам легче будет понять и оценить то, что изо­ брел инженер Храмов.

Как мы уже отметили, и «дождевой», и сифонный спо­ собы заливки (есть еще несколько, не обладающих прин­ ципиальными преимуществами) имеют существенные не­ достатки, когда речь идет о крупногабаритном тонкостенном литье. Но у каждого из них есть и достоин­ ства: заливка сверху гарантирует наилучшее, направлен­ ное снизу вверх остывание металла; заливка снизу — плавность заполнения формы. Перед Храмовым стояла типичная изобретательская задача: объединить на пер­ вый взгляд несовместимое. В данном случае — придумать способ, который позволил бы заливать металл и сверху и снизу, и в то же время — ни сверху и ни снизу!

Идея, выдвинутая Храмовым, внешне проста: жидкий металл подается по полому стержню, опущенному до дна литейной формы. Сама же форма по мере ее заполнения опускается вниз так, что конец стержня-питателя все вре­ мен остается в металлической жидкости. Таким образом, противоречивые условия задачи выполняются — заливка идет одновременно сверху и снизу.

Однако поместить питатель в узкую форму представ­ ляется затруднительным. Поэтому для тонкостенной от­ ливки рядом с основной полостью формуется более широ­ кий стояк. Они сообщаются друг с другом через верти­

кальную щель.

Вот грубо схематично суть авторского свидетельства, выданного Владимиру Дементьевичу Храмову.

В разработке теоретических вопросов и конструкций машин нового технологического процесса литья вместе с изобретателем участвовал большой коллектив ученых и инженеров.

Машины для отливки крупногабаритных тонкостенных деталей построены и дают отличную продукцию. В упо­ мянутой выше статье приведены некоторые результаты этой работы. Замена сборных и сварных конструкций ли­

тыми дала крупный выигрыш в прочности. При испыта­ ниях разрушение происходило под действием нагрузок, на 30 процентов превышающих установленные техниче­ скими требованиями. Трудоемкость механической обра­ ботки снижается вдвое-втрое; коэффициент использова­ ния металла увеличивается вчетверо. Повышается герме­ тичность конструкции.

34

Владимир Дементьевич сообщил нам, что сейчас и эти цифры превзойдены. Он сказал также, что новый способ может быть с успехом применен для литья не только цвет­ ных металлов, не только тонкостенных изделий, но и лю­ бых других отливок. Особую ценность представит процесс направленной и последовательной кристаллизации для получения стальных отливок, склонных к образованию больших усадочных раковин.

Нельзя не учесть, что потребность страны в литье уже составляет более 20 миллионов тонн в год.

На изготовление такого количества отливок по сущест­ вующей технологии требуется на миллионы тонн метал­ ла больше. Одно лишь повышение коэффициента ис­ пользования металла с переходом на новый технологиче­ ский процесс могло бы существенно сократить эту цифру. А экономия за счет уменьшения толщины изделий и одно­ временного повышения их прочности!

А технический прогресс как следствие использования легких, цельнолитых, прочных, герметичных конструкций сложных очертаний, выполненных без механической обработки!

В Рязанской области строится завод Центролит. В нем намечен цех по литью с направленной кристаллизацией. Это начало внедрения новшества в большую индустрию.

Металл в магнитных ладонях

Жидкость вместо якоря. Поварешка для мартена. Чугун течет вверх

Ровно 30 лет тому назад инженерылитейщики завода им. Лепсе Н. М. Тучкевич и В. С. Рутес разобрали обыч­ ный трехфазный электромотор, вытащили из него якорь, поставили на его место цилиндрический стакан — тигель, налили в него расплавленный алюминий и включили ток.

Спустя немного времени из электромотора к большому удивлению сбежавшихся со всего завода зрителей вынули гладкую алюминиевую втулку. Так получило путевку в жизнь центробежное литье в... неподвижные формы. На первый взгляд уже в этих словах кроется какое-то проти­ воречие: ведь центробежное литье потому-то и называет­ ся центробежным, что форму с залитым в нее металлом начинают быстро вращать, в результате чего «искусст­ венная тяжесть» с большой силой прижимает расплав к стенкам формы и отливка получается прочной и плотной. Но все объясняется очень просто. Бегущий по обмоткам статора электрический ток создает вращающееся элек­ тромагнитное поле. Обычно это поле увлекает за собой ротор, но здесь ротора нет, и его роль берет на себя жид­ кий металл. Он сам начинает вращаться, поднимаясь по стенкам тигля, как поднимается чай, когда мы энергично мешаем его чайной ложкой. Отливки при этом получа­ ются более высокого качества, чем при простом центро­ бежном литье. Там частицы металла, быстро вращаясь вместе с крутящейся формой, практически неподвижны относительно друга друга, здесь же расплав интенсивно перемешивается, имеющиеся в нем газовые пузырьки и частички вредных примесей сближаются, сливаются вмес­ те и быстро «всплывают» к центру тигля. Кроме того, перемешивание все время размывает, дробит твердеющие кристаллы, отрывает зародыши и переносит их в центр слитка. В результате металлографическая структура слитка получается мелкой и однородной. Достаточно ска­ зать, что на одном заводе половина отливаемых цилинд­ ровых гильз для дизельных двигателей шла в брак. С помощью магнитных полей брак удалось свести к нулю.

Поскольку обработка литья магнитным полем продол­ жается всего несколько секунд, нет смысла каждую фор­

36

му снабжать обмоткой. Гораздо дешевле сделать несколь­ ко кольцеобразных магнитных жакетов, и особый меха­ низм будет автоматически надевать их на литейные формы, ползущие по конвейеру, и снимать.

Магнитные силы перемешивают металл, помогают выкачивать его из вагранки.

Если разрезать обмотку по образующей и выпрямить ее, мы получим магнитную дорожку с бегущим магнит­ ным полем. Такую дорожку изобрел советский инженер Леонард Артурович Верте. Стоит положить дорожку ря­ дом с жидким металлом, как бегущее магнитное поле, подобно ветру, начнет увлекать металл за собой. Это об­ стоятельство с большой выгодой можно использовать при

37

отливке крупных деталей сложных конфигураций, напри­ мер лопастей гидротурбин. Так как лопасти сильно меня­ ются по толщине да и льют их из легированных сталей, обладающих низкой теплопроводностью, металл застыва­ ет очень неравномерно, в отливках растут тепловые на­ пряжения, иногда разрушающие деталь. Если же прямо в литейной форме, вдоль самых тонких стенок отливки, положить магнитные дорожки, остывший металл станет интенсивно перемешиваться с горячим, вся его масса начнет охлаждаться равномерно, и в отливке не смогут возникнуть усадочные рыхлоты, раковины, остаточные напряжения.

Вращение расплавленного чугуна в неподвижном ци­ линдрическом сосуде можно использовать для создания оригинального копильника. Обычно чугун из копильника выпускают в ковши через летку. Каждый раз ее прихо­ дится расчищать и закупоривать вновь, к тому же искры и брызги металла могут обжечь рабочих-литейщиков. Если же чугун вращается, в него достаточно погрузить укрепленную на шарнире изогнутую трубу — трубку Пито — с отверстием, обращенным против течения, и расплав начнет по ней подниматься под действием дина­ мического напора.

Хорошие сталевары действуют слаженно, как орудий­ ный расчет. Вот открылась дверца мартена. Стоящая на­ готове завалочная машина опрокинула в огненную пасть порцию скрапа и отпрянула назад. Теперь надо ждать. И пока идет плавка, пока в огнедышащем чреве печи нето­ ропливо текут химические реакции, сталевары отдыхают, поглядывают на круглые шкалы приборов, на вздрагива­ ющие стрелочки самописцев. Но вот плавка окончилась. И опять на обслуживающей площадке все приходит в

38

движение. Не теряя лишней минуты, сталевары сливают металл, очищают и заправляют печь, чтобы быстрей начать все сначала. Ибо каждая потерянная минута со­ ответствует потерянной тонне стали. Тем обиднее терять долгие часы, ожидая, когда растворятся в расплаве легирующие добывкп, когда улетучится из него медли­ тельный кислород, выгорит сера, а химический состав и температура выровняются по всему объему. Причем мед­ леннее всего эти процессы идут в самых прочных и качест­ венных сталях: теплопроводность и скорость диффузии в них меньше, а легирующих добавок больше. И еще одна неприятность: если плавка продолжается долго, значи­ тельная часть дорогостоящих добавок, таких, как хром, ванадий, вольфрам, успевают выгореть, буквально выле­ теть в трубу. Так и хочется помешать металл, чтобы быст­ рее растворялись полезные и выгорали вредные примеси. Но вручную размешать полтысячи тонн расплава прак­ тически невозможно. На помощь снова приходит магнит­ ное поле. Прямо под печью монтируют катушки плоского статора и включают ток. Вращающееся магнитное поле, проникая сквозь днище печи, увлекает за собой металл, создает в его огненной толще вихри и водовороты. Опыты, проведенные профессором Н. В. Окороковым в Московском институте стали и сплавов и на заводе «'Днепроспецсталь», показали, что магнитное перемеши­ вание позволяет почти на час сократить продолжитель­ ность плавки и значительно улучшить качество стали. Да и сталеварам работать становится легче: обычно им при­ ходится, обливаясь потом, собирать шлак со всего зерка­ ла ванны, а при магнитном перемешивании достаточно сгребать его только у рабочего окна: движущийся металл сам подводит к окну все новые порции шлака.

Магнитное перемешивание радикально решает важную народнохозяйственную проблему выплавки больших

39