Это великий мастер — человек — сделал металл металлом. Это он создал искусственные вулканы — доменные печи, где вываривается из грязно-ржавых или черных камней огненная лава чугуна.
Это он подобрал сотни добавок, облагораживающих слабое железо, придающих ему такие свойства, каких оно нигде не имеет в природе.
Это его изобретательность нашла сложные процессы термической и химико-термической обработки, преобразующие самую внутреннюю структуру железа, превращающие его, мягкое, податливое, в закаленный, твердый, почти как алмаз, булат клинка или прочную, вязкую, почти как вар, сталь корабельной брони.
Это его дерзкая мысль вступила в борьбу с коррозией и, словно щитом прикрыв нестойкий металл, многократно удлинила его жизнь.
Чем был без человека металл?
Ржавыми камнями, бесплодно выветривающимися в обрывах гор.
Чем он стал в руках человека?
Фундаментом второй природы, скелетом пирамиды, которую мы называем материальной культурой. Вершина этой пирамиды сегодня достигла Луны, завтра коснется Венеры и Марса, а послезавтра дотянется до других звездных миров.
Много побед одержал человек над природой с помощью металла. Но всем этим победам предшествует победа над самим металлом.
Получить металл из руды, придать ему высокие качества, сделать его прочным — это еще только первая половина дела. Надо придать металлу ту форму, которая нужна в конкретной детали машины, конкретной части сооружения.
Человек научился и этому. Он создал станки, которые обжимают и формуют болванки из сверхтвердой стали так же легко, как ребенок орудует пластилином. Другие станки режут крепчайшие металлы, используя для этого стальные же резцы. А когда они отказывают, он берет на помощь холодную твердость алмаза, резкую силу электрической искры, упругую мощь ультразвука. Третьи машины делают нужные человеку вещи прямо из огненной лавы расплава.
И, может быть, среди многих побед человека победа над металлом является самой главной.
Побежденная лава
Литье — один из самых древних способов обработки металлов. Более шести тысяч лет тому назад первые металлурги лили бронзу в каменные формы. Но, конечно, с тех пор ничего не осталось неизменным в литейном деле, кроме, может быть, главного принципа: расплавленный металл выливается в заранее приготовленную форму будущего изделия.
Множество различных способов обработки создал с тех пор человек. Он построил гигантские молоты, прессы, прокатные станы, открыл принципиально новые методы обработки, но литье и сегодня не сдает своих позиций. Ведь и сегодня металлообрабатывающие станки состоят на 80–85 процентов по весу из деталей, полученных литьем. В тракторе и крупных гидравлических турбинах 55–60 процентов литых деталей. И даже обычный товарный вагон содержит 25 процентов литья.
Современное литье позволяет получать отливки чрезвычайно сложной формы — такой, какую не получишь ни токарной, ни фрезерной обработкой, ни даже ковкой и штамповкой. Попробуйте, например, получить штамповкой или обработкой резанием обыкновенный перепускной вентиль — бочкообразное изделие с тремя отверстиями и фигурными стенками внутри. Да он, пройдя сотни операций на различных станках, будет стоить столько, сколько стоит такого же веса золотой слиток! А ведь вентили применяются буквально везде, их изготовляют десятки, если не сотни, тысяч в год. Конечно, их изготовляют литьем!
Современное литье позволяет получать и крохотные отливки — весом всего в несколько граммов, и гигантские — весом в десятки и даже сотни тонн. Можно изготовлять отливки уникальные, в единственном экземпляре, и десятками тысяч на конвейере. Можно делать их из чугуна или стали и из разнообразнейших цветных металлов, кроме самых тугоплавких. Отливки можно изготовлять и из таких сплавов, которые никаким другим видам обработки не поддаются, например белого чугуна, целого ряда алюминиевых сплавов и т. д.
По образу и подобию.
Конечно, кое в чем литье уступает другим видам обработки. Например, прочность литого коленчатого вала уступает прочности кованого вала. Некоторые детали, изготовленные сваркой из различных видов проката, оказываются менее металлоемкими, чем такие же литые детали. Но, сдавая некоторые позиции сварным конструкциям, литье захватывает новые в совершенно неожиданных областях. Лить начинают даже такие детали, которые никогда литьем не изготовлялись. К ним относятся, например, турбинные лопатки, коленчатые валы, режущий инструмент — фрезы, резцы и т. д.
Для получения литья в первую очередь надо расплавить металл. Для этой цели в чугунолитейных цехах стоят младшие сестры домен — вагранки. Это цилиндрические металлические печи, выложенные внутри шамотным кирпичом. Диаметр вертикально поставленного цилиндра вагранки может достигать до 3 м. Высота — 10 м — выше трехэтажного дома.
В вагранку загружают кокс, флюсы, чугунные чушки, стальной и чугунный лом. Сквозь систему фурм в нее подают воздушное дутье. Так же, как и во многих других печах, очень хорошие результаты дает обогащение дутья кислородом.
В нижней части вагранки скопляются жидкий чугун и шлаки. У некоторых вагранок имеются специальные копильники, в которые и стекают металл и шлак. В зависимости от величины вагранка дает от 1 до 25 тонн чугуна в час.
Сталь для литья плавят в небольших мартенах и электропечах. Для расплавления цветных металлов служат различные электропечи.
…Но вот уже волнуется искусственная лава в копильнике. Готов ковш, чтобы отнести горсть металла к форме. А как делают эту форму?
Форму можно сделать только по модели изделия, которое надо получить. Даже имея такое изделие, нельзя, не изготовив формы, получить такое же второе изделие. Дело в том, что модель, по которой будет производиться отливка, отличается от самого изделия.
Прежде всего она имеет другие размеры. Это и понятно: ведь, заполнив в расплавленном виде форму, металл при охлаждении начнет сжиматься, произойдет усадка металла, как говорят литейщики. Поэтому модель всегда несколько больше изделия.
Во-вторых, модель не повторяет целиком формы изделия. Обычно там, где у изделия отверстия, у модели, наоборот, выступы, да еще окрашенные в черный цвет. Впрочем, их назначение сразу станет ясным, как только мы пройдем вместе с нашей деревянной моделью к тому месту, где изготовляется по ней земляная форма.
Если изделие невелико, его отливают в разборной опоке. Опока — это деревянный или металлический ящик, у которого отрезана верхняя половина стенок и нет крышки. В нижнюю половину, перевернув ее, закладывают модель и засыпают землей и формовочной смесью. После того как эта смесь будет достаточно уплотнена, опоку переворачивают, накладывают верхнюю половину ящика и тоже засыпают землей и уплотняют. В земле этой половины ящика проделывают отверстия от модели наружу. Их делают минимум два: в одно наливают металл, по другому уходит вытесняемый из формы воздух. Снова разъединяют половинки ящиков, вынимают модель, устанавливают стержни — вылепленные из особой земляной смеси формы отверстий и углублений в изделии. Эти стержни опираются на земляную форму в местах черных выступов модели — вот мы и выяснили их назначение. Ящики снова складывают. Земляная форма готова к заливке металлом.
Мы очень схематично рассказали о методе литья, называемом литьем в земляную форму. А между тем дело это отнюдь не простое. Взять хотя бы формовочную землю. Ведь только ее приготовление — целая наука. Она должна быть прочной, чтобы ее не размыла тяжелая струя металла. Она должна быть пористой, чтобы дать выход выделяющимся из металла газам. Она должна быть огнеупорной, не содержать легкоплавких веществ, способных «пригореть» к металлу отливки. И т. д. и т. д.
Существуют сотни, наверное, рецептов для составления формовочных смесей. Основой обычно является горелая (старая, отработанная), выбитая из опок земля. В нее добавляют свежие материалы — глину, песок и добавки — каменноугольную пыль, древесные опилки и т. д.
Еще сложнее рецептура материалов, идущих на изготовление стержней. В них вводят масла, жидкое стекло, цемент, сульфидный щелок и т. д. К тому же их нередко подвергают прокаливанию при температуре до 250 градусов. Иногда в них вводится металлический каркас… Если еще добавить, что всех этих разнообразных смесей надо бывает приготовить сотни тысяч тонн — ведь на одну тонну отливок уходит в среднем 6 кубометров формовочной смеси и около 0,5 кубометра стержневой, а объем их в 40 раз больше объема отливки, — вы поймете, почему этим занимаются на крупных заводах целые отделения цехов.
Но вот поток искусственной лавы, озарив, как солнечным лучом, пролет цеха, исчез в литниковом отверстии. После затвердения металла форму можно будет разрушить — она уже выполнила свою роль — и извлечь изделие. А затем очистить отливку от остатков стержней, от пригоревшей формовочной земли. Все это дело непростое. Много тяжелого человеческого труда надо затратить на него.
Поэтому все операции очистки отливок стремятся механизировать. Выбивку опок производят на специальных вибрационных решетках. Формовочная земля под влиянием вибраций рассыпается и проваливается сквозь решетку, а отливка остается на ней. Стержни удаляются в специальных камерах струями воды, подаваемой под давлением до 100 атмосфер. Такая струя под стать лому. Ударь по ней палкой — и палка сломается, словно встретила на пути не зыбкую воду, а стальной прут. Очистка поверхностей отливок осуществляется или обкаткой в барабанах, или в пескоструйных и дробеструйных установках. Струя песка или дроби увлекается потоком воздуха, ударяет в поверхность отливки и освобождает ее от всех посторонних пригоревших веществ. Так же работают и пескогидравлические установки, только вместо воздуха песок здесь увлекается струей воды. Это уменьшает количество пыли, улучшает условия работы.
Множество машин и механизмов помогают в работе литейщикам. Есть специальные машины, приготовляющие земляную смесь. Есть машины — и гигантские машины! — для формовки отливок. Так, на Уралмашзаводе работает пневматическая формовочная машина грузоподъемностью в 40 тонн. Там же работает вибрационная решетка, на которой производится выбивка форм, изготовленных на 40-тонной машине. Кстати, применение ее повысило производительность труда в 20 раз.
И все-таки как бы хорошо было обойтись без всех этих побочных операций — без приготовления земляной и стержневой смесей, без пыльной выбивки опок и пескоструйной очистки.
Мы на первом в мире советском заводе-автомате, выпускающем автомобильные поршни.
За плавильной печью на этом заводе стоит литейная машина. Через каждые несколько секунд под отверстие ее дозатора подходит раздвижная форма — кокиль. Эта форма напоминает две сложенные вместе ладони. В них из дозатора выливается точно рассчитанная порция металла. Не пролив ни единой капли, несет форма застывший металл, потом разъединяется на две половины. Готовую отливку подхватывает механическая рука и ставит на транспортер.
Ладони, только что бережно сформовавшие отливку, возвращаются назад, к дозатору. Специальные механизмы обдувают их для охлаждения сжатым воздухом, смазывают специальным веществом, чтобы увеличить их стойкость. И снова они складываются вместе, готовые принять новую порцию металла…
Это кокильное литье, литье в постоянные формы. Оно уже широко применяется в нашей стране и не только для получения цветных отливок. В металлических формах отливают и чугун и сталь.
Достоинство литья в кокиль — в первую очередь в возможности обеспечить высокую производительность литейного процесса. Кокильное литье легко механизировать и автоматизировать, что мы и видели на первом в мире заводе-автомате. Да и отливка получается куда лучшего качества, чем при литье в землю. Недостаток в том, что в. тех случаях, когда надо получить всего одну-две отливки, применить его нельзя. Слишком уж дорого стоит изготовление разъемной металлической формы. Ее целесообразно делать, только имея целью применить много раз подряд, в серийном или массовом производстве.
К сожалению, литьем в кокиль не удается получить отливок с очень тонкими стенками: металл застывает, не заполнив их до конца. Чтобы прогнать туда металл, надо его подать под большим давлением.
При литье под давлением кокиль соединяется литниковой системой с камерой сжатия, в которой ходит поршень. Вот он поднялся, и эту камеру заполнил металл. Поршень энергично, с большой скоростью и силой давит на металл. Тот устремляется в кокиль и заполняет все его самые тонкие щели. Еще бы, ведь давление достигает тысячи атмосфер! Воздух, заполнявший кокиль, уходит из него в прямо-таки микроскопические щели толщиной в доли миллиметра. Даже подаваемый под таким большим давлением металл не может проникнуть в них.
Отлитые этим методом детали имеют чрезвычайно точные размеры, чистую поверхность. По большей части они не требуют никакой дополнительной обработки.
К сожалению, этим способом еще не научились делать отливки черных металлов: нет материала, который смог бы работать при высоких температурах и таких же давлениях. Да и цветные отливки удается получать не больше нескольких килограммов весом.
Но это молодой вид литья. У него еще все впереди!
Металлурги-литейщики уже давно заметили, что металл отливки получается более качественным, если его подвергнуть уплотнению, дополнительному сжатию. Одним из способов обеспечить такое сжатие является использование центробежной силы.
Да, форма, в которую заливают металл при центробежном литье, вращается. Вращаются длинные формы для центробежной отливки чугунных труб, а датчик, по которому в форму вливают чугун, движется внутри ее от края до края. Нельзя вылить металл в одном месте: он может застынуть, не успев разлиться по всей форме. Вращаются и узкие формы для центробежной заливки подпятников крупных турбин. Что же при этом происходит?
Центробежная сила отжимает к периферии тяжелый чистый металл. Все включения, пузыри, посторонние примеси оказываются выброшенными в центральную полость. И металл получается очень прочным, качественным.
Небольшие отливки высокой частоты из черных металлов можно получить литьем по выплавляемым моделям.
Сущность этого способа состоит в том, что модель делается из легкоплавкого воскообразного вещества. Таких моделей может быть очень много — если сделана для них форма, их изготовить очень легко. «Восковые» модели присоединяются к такому же «восковому» литнику. Затем их обсыпают специальной формовочной смесью, содержащей связующие вещества, например жидкое стекло. После того как обсыпка застынет на воздухе, их погружают в горячую воду. «Воск» плавится и вытекает из форм. Их прокаливают, и они готовы для заливки металлом. Чаще всего— цветным металлом или сплавом.
Таким способом можно получить любую, сколько угодно сложную отливку. Точность ее будет приближаться к точности отливок, сделанных под давлением.
Литье по выплавляемым моделям — дальний потомок воскового литья. Иначе его называют точным литьем. Оно применяется все шире и шире.
Ворота стали — блюминг, гигантская машина, одна занимающая огромный цех.
Близким родственником этого вида литья является литье в корковые формы.
Металлическую модель изделия укрепляют на металлической плите, нагретой до температуры 200–250 градусов. И этой плитой накрывают бункер с формовочной смесью. Затем бункер переворачивают, так что формовочная смесь засыпает модель. Эта формовочная смесь имеет в своем составе небольшое количество порошка особой искусственной смолы — пульвербакелита. Пульвербакелит при соприкосновении с нагретой моделью и доской плавится, а затем отвердевает, образуя твердую корку. Когда через несколько секунд бункер переворачивают назад, на поверхности модели остается скорлупка толщиной около сантиметра.
Скорлупку вместе с моделью и плитой помещают на одну минуту в электропечь, нагретую до температуры в 300–350 градусов. Происходит отвердевание состава, после чего его снимают с модели. Так же изготовляют вторую половину формы. Их соединяют, устанавливают в ящик, засыпают землей. Можно производить отливку.
Быстрота, механизируемость этого метода также гарантируют ему все более широкое применение.
В литейном деле используется не только высокое давление, но и высокий вакуум.
В расплавленный металл погружается медная пустостенная форма. Между ее двойными стенками циркулирует охлаждающая вода, а из внутренней полости откачивается воздух и в образовавшийся вакуум засасывается металл. Соприкасаясь с холодными стенками формы, он кристаллизуется. Если теперь снова пустить в форму воздух, металл выльется из нее, оставив застывшую корку у стенок — готовую трубку. Если дать металлу остыть целиком, мы получим отличную отливку. Мы уже говорили о том, как улучшает качество металла литье под вакуумом.
Этот способ также применим пока только для цветных металлов и в массовом производстве.
Вот каким разнообразным стало древнее литье! Оно поставило себе на службу и высокие давления, и вакуум, и центробежную силу, и свойства пластмасс и смол. И все-таки самым универсальным и сегодня остается литье в землю.
А между тем у него много недостатков. Мы уже говорили о них. Взять хотя бы возню с земляной смесью и с очисткой форм. Но попробуйте представить, каким еще способом можно отлить чугунную деталь гидравлической турбины? Не вытягиванием же в вакуум или выдавливанием в кокиль под давлением!.. Вот и приходится пока мириться со всеми неудобствами этого способа литья. Конечно, только пока… Пока кто-то не придумает другой способ литья — не менее универсальный, но более удобный, производительный, гигиеничный, быстрый.
А что он будет придуман, сомнений нет.
Литье вверх
Не часто появляется в современной технике принципиально новый метод обработки материалов. Из глубокой древности пришли в наш век резание, литье, ковка. В черновиках Леонардо да Винчи мы находим первый чертеж прокатного стана для олова. В 1943 году супруги Б. Р. и Н. И. Лазаренко открыли электроэррозионный способ обработки металлов…
И вот летом 1959 года на Всесоюзной промышленно-экономической выставке в Москве мне посчастливилось познакомиться с изобретателем принципиально нового способа обработки металлов. Настолько нового, что я и сейчас не знаю, к какому виду его отнести — к литью, к прокату?
Доктор физико-математических наук профессор Александр Васильевич Степанов, скромный, спокойный человек, у стенда в павильоне Академии наук рассказал о своем только что возникшем методе. Он его называет методом получения любых профилей прямо из расплава.
Их бесконечно много — различных форм проката.
…В ванну с расплавленным алюминием опускают торцем обрезок трубы, своеобразную «затравку». Расплавленный металл соприкасается с твердым, и, когда трубу приподнимают, силы молекулярного сцепления поднимают за ним из расплава часть металла, точно повторяющего профиль «затравки». Часть металла при этом охлаждается, кристаллизуется. Трубу еще приподнимают. Застывает новый слой металла. Еще и еще. Из ванны с расплавом растет со скоростью 10–20 м в час совершенно готовая труба с чистыми, словно отполированными стенками, точно выдержанным диаметром.
— Да разве только трубы можно изготовлять этим методом? — говорит профессор. — А вот полюбуйтесь, заготовка для производства шестерен. — Он протянул металлический стержень с продольными ребрышками. — Осталось только отрезать от этого стержня шестерни. Профиль может быть любым, в том числе и таким, какой невозможно получить никаким другим способом. Можно тянуть прямо из расплава пластины толщиной в долю миллиметра, почти фольгу, и толстостенные трубы или балки. Можно получать все изделия современного проката, минуя все промежуточные процессы, в целом ряде случаев обходясь и без дальнейшей обработки на металлорежущих станках.
И еще: новый способ годится не только для металлов, а для всех материалов, которые могут быть расплавлены…
Так возникает новое. Миллионы людей видели, как за ложкой, вынутой из банки с медом, тянется длинный хвост вязкой жидкости. Но никому не пришло в голову до Александра Васильевича использовать это явление в качестве метода металлообработки. А сколько еще таких известных всем, очень простых явлений ожидает, чтобы и их поставили на службу человеку?
Нет, это дается не каждому! Ведь только после того, как открытие сделано, кажется оно простым. И тогда каждый думает про себя: как же это я не догадался?
Металл подчиняется силе
Мы уже говорили об одном из методов этого вида обработки, когда не хитрость, не обходный маневр, а прямую силу применяет человек для того, чтобы придать металлу требующуюся форму. Мы говорили о прокатке, когда исследовали путь металла от домны до машиностроительного завода. Мы не могли там не рассказать о блюминге — первом среди прокатных станов, в валки которого попадает 75 процентов всей выплавляемой стали и огромная часть цветных металлов и сплавов.
Огромная часть, но не все. Ибо не над всеми металлами властна обработка давлением.
Возьмите кусочек чугуна и попробуйте убедиться, проковывая его хоть тем самым молотком, которым вы забиваете гвозди на обломке рельса вместо наковальни, что это — металл. Ведь первым признаком металла считали встарь его ковкость. «Тела, которые ковать можно», — определил их Ломоносов. Но можно сразу сказать: чугун (обломок сковороды, например) не проявит своих металлических свойств. Он будет трескаться и рассыпаться, если вы усилите удары. Но проявить пластических свойств, изменить форму под воздействием ударов он не пожелает.
Нет, и в нагретом виде чугун не становится покладистее. Правда, в самое последнее время кое-где делают опыты прокатки чугуна, нагретого до температуры 1100–1200 градусов. Но в промышленность этот метод еще не перешел. И чугун так и считается наряду с целым рядом других металлов и сплавов, обладающих столь же непокладистыми характерами, не поддающимся обработке давлением.
К счастью, подавляющее большинство широко используемых в технике и промышленности металлов и сплавов могут обрабатываться давлением или в холодном, или в горячем виде. К счастью потому, что обработка давлением обладает целым рядом преимуществ по сравнению, например, с резанием.
Схема — проста, процесс — удивительно сложен.
При обработке давлением металл изменяет свою форму, но не объем. Весь металл слитка превращается при прокате в рельс. Весь металл проволоки при волочении остается проволокой. В отходы попадают только те 2–4 процента, которые идут в угар и окалину при нагреве слитков в печах да незначительные обрубки при доводке полуфабриката. А это все означает, что почти нет отходов металла при обработке его давлением.
Совсем иное при обработке резанием, при котором любое изменение формы осуществляется только за счет удаления части металла.
На одном из московских заводов произвели такой опыт. Одну из деталей автомобиля — колпачковую гайку весом в 187 г — изготовили резанием и прессованием. В первом случае в отход пошло 379 г металла, во втором случае — всего 14 г.
Одна гайка — мелочь. Но, когда таких мелочей надо сотни тысяч, они оборачиваются миллионами рублей. Да и отдельные детали немассового производства иногда тоже обходятся недешево, если их изготовлять резанием.
Вот, к примеру, диск паровой турбины весом в 2,8 тонны изготовлялся до недавнего прошлого на турбостроительных заводах резанием из заготовки весом в 9,7 тонны. 6,9 тонны стружки с каждого такого диска— а их десятки в крупных паровых турбинах — уходило на переплавку.
По сравнению с расточительностью резания разумная экономичность многих видов обработки давлением является огромным преимуществом. Но не единственным.
При обработке давлением в процессе пластической деформации изменяется самая структура металла, причем, если провести процесс обработки правильно, то после нее улучшаются и механические свойства металла. При прокатке, например, завариваются ослабленные места слитка, металл становится плотнее и прочнее. Ковка обеспечивает выгодное расположение волокнистой структуры заготовки. Холодная обработка давлением вызывает нередко упрочнение поверхности изделия за счет наклепа.
Совершенно иная картина при обработке резанием. Резец снимает только поверхностный слой металла, ничем не изменяя его внутреннего строения. Мало того, часто он перерезает волокнистую его структуру, ослабляя изделие.
Обработка давлением значительно производительнее резания. Трудно представить даже строгальный станок, который бы вытачивал из стальных брусков рельсы с такой скоростью, с какой они выбегают из валкой прокатного стана. А стан для проката тонкого листа выдает каждую секунду 30–35 м прокатанного металла, или 100 км в час. Буквально со скоростью самолета!
Обработкой давлением можно изготовить бесчисленное множество различных изделий. Возьмем только одну прокатку. Вот перечисление некоторых видов станов, из которого можно представить, что именно делается этим методом: рельсобалочные, сортопрокатные, проволочные, листопрокатные, трубопрокатные, бандажепрокатные, колесопрокатные и т. д.
Разнообразен сортамент проката. Здесь и квадратные, и круглые, и полукруглые, и прямоугольные, и овальные, и ромбические профили самых различных размеров. Здесь и угольники, и швеллеры, похожие на букву «С», и двутавры, напоминающие положенную на бок букву «Н», и Т-образные швеллеры, и рельсы, и Z-образные профили, и трубы, и листы брони, и тонкая фольга и т. д.
Прокатка бывает горячей и холодной.
Горячая прокатка сталей начинается обычно при температуре в 1250–1000 градусов, в зависимости от марки стали, и кончается при 900–800 градусах. А для чего надо нагревать металл? Ведь сталь, если она не закалена, пластична и в холодном виде.
Да, но ее пластичность при нагревании многократно увеличивается, а прочность уменьшается. Так, сталь, имеющая предел прочности при комнатной температуре в 80 кг на кв. мм, при нагревании до 1000 градусов снижает его всего до 7,5 кг на кв. мм. Высокая пластичность сочетается с малой сопротивляемостью деформации. Идеальное состояние для обработки давлением!
Нагрев заготовок производят в пламенных или электрических печах. По характеру распределения температур в рабочем пространстве различают печи камерные (в них температура во всем объеме одинакова) и методические. Заготовки, поступившие в такую печь с одного конца, по мере прохождения попадают все в более высокую температуру.
Сталь обычно нагревают в пламенных печах, цветные металлы — в электрических. Ведь в них легче выдержать узкие границы температур нагрева цветных металлов. Но наряду с печами у нас все чаще начинают применяться нагревательные устройства принципиально нового типа. Мне их пришлось видеть на одном из московских автомобильных заводов, в кузнечном цехе. Но, войдя в него, мы бы не сказали даже, что это кузница. Ни дымных горнов с нависшими зонтиками вытяжных устройств, ни угара, ни куч кокса в углах и кусков пережженного железа под ногами. Светлой краской окрашенные стены, кафельный пол. Светлые, широкие, от пола до потолка окна, открытые навстречу весеннему ветру. Единственное — пневматические молоты и гидравлические прессы подтверждали, что здесь кузница.
И все-таки здесь выполняли кузнечные работы. Заготовки закладывали в специальные устройства, похожие на круглые столики. Там всего за несколько десятков секунд, много — за пару минут, они нагревались до нужной температуры. Кузнец в чистом белом халате брал раскаленную заготовку и подкладывал ее под пуансон пресса, а еще через несколько секунд вынимал готовое изделие.
Преимущества электронагревательных устройств для нагрева не больших заготовок чрезвычайно велики. Они прямо-таки преобразуют вид кузнечного цеха, повышают качество изделий, производительность труда, его культуру.
Прокатные станы устроены и работают примерно так же, как блюминг. Разница в том, что они меньше размером да валки их имеют вырезы того профиля, который выпускает стан.
Но, наверное, мало кто знает, как работают трубопрокатный стан и и стан для проката валов переменного профиля.
Валки трубопрокатного стана имеют сложную форму и расположены наискось друг к другу, их оси скрещиваются. Они вращаются в одну и ту же сторону, вынуждая попадающую между ними заготовку вращаться в обратную сторону и двигаться вперед. В момент прохождения между валками под действием внешних сил в заготовке возникают весьма сложные деформации, а в центральной части ее внутренние напряжения разрывают металл и создают отверстие. Оно имеет неровные, шероховатые стенки. Чтобы выровнять их, имеется специальная пробка, одетая на длинный стержень. Она вводится в отверстие полученной трубы. Потом труба проходит еще дополнительную правку.
Обычно таким способом изготавливают трубы не менее 65–70 мм диаметром.
Валы переменного профиля, имеющие более толстые и суженные части, прокатываются на трехвальных прокатных станах. Валки (их оси также скрещиваются) имеют концы в форме шляпки гриба. С помощью гидросистемы шляпки эти могут расходиться и, наоборот, сближаться. Заготовку, проходящую сквозь эти валки, непрерывно тянет вперед специальное устройство. Сходясь и расходясь, валки изменяют диаметр детали.
Прокатка деталей переменного профиля — одно из прогрессивных технологических решений последних лет. Только переход изготовления задних полуосей автомобиля «Москвич» с ковки на такую прокатку позволил сэкономить за год количество металла, которого достаточно на изготовление 200 автомобилей.
Валы переменного профиля — очень распространенная деталь современных машин. Поэтому новый способ их изготовления, прокаткой, находит все более широкое применение. Разработан этот способ группой советских ученых под руководством члена-корреспондента Академии наук СССР А. И. Целикова.
Среди продукции прокатных станов есть и проволока. Прокаткой можно изготовить проволоку не тоньше 8–9 мм. Более тонкая проволока получается волочением.
Это очень древний и очень простой процесс. Проволоку, полученную на прокатном стане, протягивают через отверстие — очко — меньшего диаметра, чем у протягиваемой проволоки. Неумолимо крутится катушка, звенит от напряжения протягиваемая через очко проволока. У нее блестящая, ровная поверхность, ее диаметр с точностью до сотых долей миллиметра соответствует заданному.
Не только круглую проволоку, но и другие профили можно получить волочением — тонкостенные трубы, прямоугольники и т. д.
Волочением можно получить проволоку диаметром менее 0,01 мм и трубы с толщиной стенок менее 0,1 мм. Каким еще способом можно получить такие изделия?!
…На московском заводе «Серп и молот» я часами наблюдал за удивительно красивой работой мастеров у прокатного стана.
Вот из нагревательной печи поступила раскаленная болванка. Ее подхватывают клещи, мгновение — и она уже между неумолимыми валками. Из кургузой она становится продолговатой. И снова умелые и точные клещи схватывают ее и бросают в железные челюсти стана. Еще и еще. И вот уже огненная змея бежит мимо рабочего. Она течет и течет из валков, конец ее скрывается под чугунными плитами пола. Несколько мгновений она блуждает где-то в подземелье и снова возвращается наружу. Огненный змей грозно бежит к рабочему, словно готовясь ударить, оплести пламенным объятием, сжечь.
Но рабочий спокоен. Голову змея снова плющат валки, и снова он возвращается из подземелья. Уже два огненных потока двумя петлями обегают прокатчика. Но он уверен в своих силах и спокоен.
Инженеры из этого цеха что-то говорили мне об устаревшей технологии, о новых механизмах, которые вот-вот должны ввести и которые сделают ненужным этот прекрасный, но тяжелый физический труд. И это, конечно, так. Но для меня рабочий, у клети прокатного стана ожидающий внимательно, но совершенно спокойно огненную змею, готовящуюся ужалить, стал как бы символом власти человека над металлом.
В кузнице
Свободная ковка — не только один из видов обработки металлов давлением, это еще и самый древний способ. Ему, наверное, не меньше десяти тысяч лет. Ведь на самородки золота и серебра, на куски метеорного железа человек переносил тот же, известный ему уже метод обработки материалов — удары камнем. Слитки металлов изменяли свою форму — это и была ковка.
В течение многих веков буквально у всех народов профессия кузнеца была священной. У древних греков даже один из богов, Гефест, профессионально занимался кузнечным делом. Аналогичный бог по имени Сварог был и у наших предков до того, как они приняли христианство. И, видимо, в течение многих веков почти не изменялась эта профессия. Правда, кузнецы перестали заниматься выплавкой металлов из руд, правда, работу с драгоценными металлами они уступили ювелирам. Когда-то и то и другое входило в их обязанности. Но что касается собственно ковки, то и сегодня кузнец, занимающийся ручной ковкой, работает почти так же, как и сто лет, и тысячу лет назад.
Конечно, развитие техники предъявило свой счет и кузнецам. От них потребовались поковки весом в десятки, а то и в пару сотен тони. Конечно, самые сильные молотобойцы не откуют вала корабельного винта или крупной гидравлической турбины. Так в кузницу пришли различные молоты — пневматические, паровоздушные, гидравлические прессы. Когда-то отличным работником считался молотобоец, способный работать с пудовой кувалдой. «Кувалда» — вес падающих частей пневматического молота — превосходит иной раз 1000 кг, а давление гидравлического пресса составляет нередко даже несколько десятков тысяч тонн. Пришли в кузницу на смену примитивному горну пламенные и электрические печи. Клещи при обращении с крупными заготовками на ряде заводов заменил кузнечный манипулятор — удивительная машина, в тысячи крат усилившая руки кузнеца.
И все-таки свободная ковка принципиально не изменилась. Но…
Вспомним литье. Оно немногим моложе ковки, но сколько принципиально новых способов литья пришло на заводы в самые последние годы, хотя основной метод — литье в землю — тоже не претерпел принципиальных изменений.
Вот такие же принципиально новые методы возникли и в кузнечном цехе.
Как ведется свободная ковка? Вот кузнец положил холодные заготовки в белую от жара сердцевину горна и подбросил кокса. Молотобоец поплевал на руки и взялся за ручку кувалды. Выждав соответствующую паузу, чтобы нагрелась заготовка, он достал ее клещами и быстро положил на наковальню. Теперь металл в его власти.
Хотите, он сделает из длинного прутка приземистый бочонок? Он ставит заготовку на торец. Удар молота и удар кувалды. Еще и еще. Ударяя молоточком по заготовке, кузнец показывает молотобойцу, куда и какой силы нанести удар. И вот заготовка осажена. Она стала короче и раздалась вширь.
Пробить в заготовке отверстие? Нет ничего проще. Он кладет заготовку на отверстие в наковальне и устанавливает прошивень. Несколько ударов кувалдой, и отверстие прошито — так говорят кузнецы. А выдра— выбитый из отверстия кусок металла — уже валяется на полу.
Старик Гефест и сегодня мог бы работать во многих кузницах.
Разрубить заготовку? И это можно. Прошивень заменило зубило. Не такое, каким работают слесари, а с деревянной ручкой. И вот уже металл заготовки разрезан на две части.
Перейдем к машинной ковке. Здесь другие масштабы. Но принцип остался тот же: раскаленный металл изменяет свою форму под действием ударов.
Умелый кузнец прямо-таки чудеса может делать из металла, лежащего перед ним на наковальне или под паровоздушным молотом. И все-таки…
И все-таки кузнечная заготовка, полученная свободной ковкой, очень грубая. Она требует дальнейшей обработки. У нее неизбежно большие припуски. Их надо будет снимать на токарных и других станках. А это все — непроизводительный расход металла. Его не может возместить даже улучшение механических свойств изделия, которое происходит при ковке. И, как мы говорили, вокруг свободной ковки, как и вокруг литья в землю, появились родственные методы обработки, использующие тот же принцип: давление, удар по металлу.
«Что такое хорошо…
Штамповка… Это слово полно оскорбительного смысла, когда его обращают к произведению литературы или искусства, но оно обещает великую возможность массового дешевого производства, когда речь идет о промышленности.
Принцип штамповки прост. Из твердых и прочных сталей изготавливают штамп — точную форму будущего требующегося изделия. Его ставят под молот или пресс. В штамп кладут заготовку — лист или стержень металла. Ударяет молот, нажимает пресс, и из штампа выходит почти готовое изделие. Оно имеет чрезвычайно чистую поверхность, а размеры его выдержаны с точностью до пяти сотых миллиметра.
…и что такое плохо».
Штамповать можно холодный и горячий металл, за один удар или за несколько, когда заготовка переходит из одного штампа в другой и все ближе и ближе ее окончательная форма.
Процесс штамповки отличается высокой производительностью, его легко автоматизировать. Автоматизированные агрегаты горячей штамповки выпускают до 80 изделий в минуту, а холодно-высадочные автоматы— свыше 400 изделий в минуту, 24 тысячи изделий в час!
Огромные преимущества штамповки перед свободной ковкой предопределяют ее все большее распространение. Все более массивные детали начинают изготовлять штамповкой, и соответственно растут мощности штамповочных машин.
Уже приводилась эта цифра: вес кувалды молотобойца редко превосходил 16 кг. Вес подвижных частей молотов, применяемых при свободной ковке, не превосходит 10 тонн, да и то удары такого молота сотрясают здания чуть не всего завода. А штамповочные гидравлические прессы уже имеют мощность свыше 60 тысяч тонн! А проектируются и строятся прессы с усилием до 200 тысяч тонн! На таком прессе можно отштамповать сразу целое крыло самолета или кузов легковой автомашины.
Подсчитайте, насколько мощнее стальные мускулы этих прессов руки молотобойца, которую они заменили!
В большое семейство ковки входит и прессование. При прессовании металл выдавливается через узкое отверстие и образует требующийся профиль. Прессованию в настоящее время подвергаются цветные металлы— алюминий, медь, цинк, олово, свинец и т. д. Для прессования стальных профилей заготовкой служит прокат.
Прессованием изготовляют точные профили, трубы, многие мелкие изделия. Точность и чистота их поверхностей значительно выше, чем при прокатке.
…Все держали хоть раз в руках очень распространенное изделие — тюбик. В таких тюбиках продают зубную пасту, вазелин, краски. Но мало кто знает, что эти тюбики делают прессованием.
В форму закладывают слиток мягкого сплава. Пуансон стремительно ударяет по нему, и металл плотно заливает горловинку, одновременно выбрызгиваясь вдоль пуансона вверх. Тюбик готов. Пуансон вывинчивает его из формы, специальное устройство освобождает его от пуансона, и тюбик идет ка машину, наполняющую его полужидким составом.
Таковы близкие родственники ковки, они же — ее главные соперники.
Действительно, штамповка может вытеснить — и, видимо, в ближайшее время вытеснит — свободную ковку из всех отраслей производства, где кованые изделия нужны в большом количестве, изготовляются массовыми партиями. И это принесет огромную выгоду нашей стране, поднимет на высший уровень наше производство, резко повысит производительность труда.
Дорогу штамповке!
А свободная ковка, удивительное древнее искусство, останется там, где кованые изделия нужны в единичном количестве.
Будет ли расти еще число методов обработки металлов давлением? По всей вероятности, да. Ибо кто осмелится сказать, что в этом направлении пройдены все пути и уже нельзя найти ничего нового, лучшего?..
Огонь старика Гефеста
Всеволод Гаршин, писатель большого трагического таланта, болезненно чуткого к страданиям людей, в рассказе «Художники» нарисовал страшную картину труда на металлическом заводе прошлого века.
«— Это, я вам скажу, адская работа. Человек садится в котел и держит заклепку изнутри клещами, что есть силы напирая в них грудью, а снаружи мастер колотит по заклепке молотком…
— Это же все равно, что по груди бить!..
— Все равно…»
И дальше:
«Вот он сидит передо мною в темном углу котла, скорчившийся в три погибели, одетый в лохмотья, задыхающийся от усталости человек. Его совсем не было бы видно, если бы не свет, проходящий сквозь круглые дыры, просверленные для заклепок. Кружки этого света пестрят его одежду и лицо, светятся золотыми пятнами на его лохмотьях, на всклокоченной и закопченной бороде и волосах, на багрово-красном лице, по которому струится пот, смешанный с грязью, на жилистых, надорванных руках и на измученной широкой и впалой груди. Постоянно повторяющийся страшный удар обрушивается на котел и заставляет несчастного глухаря напрягать все свои силы, чтобы удержаться в этой невероятной позе».
Но практически, вероятно, и не было возможности облегчить этот труд. Заклепочное соединение было единственным, обеспечивавшим герметичность. Ведь тогда еще не существовало сварки.
К. Э. Циолковский, разрабатывая свой проект цельнометаллического дирижабля, предусматривал пайку корпуса. Не мог же он предложить изготовлять шедевр техники, воздушный корабль, единственным известным тогда видом сварки — самым примитивным, доисторическим, имеющим самое ограниченное применение — кузнечной сваркой!
…В полутемной кузнице пылают горны. Вот кузнец в расстегнутой на груди холщовой рубахе и измазанном золой прожженном переднике выхватывает, разворошив угли, добела накаленную деталь. На нее подручный накладывает другую. Быстрые стремительные удары — и пластины сварены. Это — кузнечная сварка. Она применяется и сегодня.
Но наряду с ней развивалась и стала самостоятельной отраслью техники сварка, осуществляемая электрической дугой, пламенем горючего газа, теплом трения и т. д.
Изобретатели железного шитья
Электросварка возникла в России. Одним из ее создателей был Николай Николаевич Бенардос. Он родился в 1842 году в семье, где наследственной профессией было военное дело. Однако Николай изменил семейным традициям. В 1862 году он поступает на медицинский факультет Киевского университета. Но не медицине, а беспокойной судьбе изобретателя была отдана его жизнь.
Он изобретает бесконечно много. Более ста изобретений было сделано им за сорок лет, начиная с 1865 года. Не многим удается прибавить столько к сокровищнице человеческого знания, опыта и умения. Однако самым крупным его изобретением был «электрогефест» — электродуговая сварка металлов.
Современником и продолжателем дела Бенардоса был Николай Гаврилович Славянов.
Главным в изобретениях Славянова было применение электрода из того металла, из которого состоят свариваемые предметы. Он назвал свое изобретение «способом электрической отливки металлов», и сварку он представлял как процесс заполнения подготовленных ванночек расплавляемым металлом электрода. Он ввел подогрев деталей для улучшения качества шва. Он широко ввел в сварку шлак.
В 1927 году инженер Д. А. Дульгевский предложил сварку под слоем порошкообразных материалов. Это было продолжением мыслей Славянова.
Волшебная это вещь — электросварка! Сварщик держит в руках металлический стержень. В нем как будто ничего особенного. Но вот стержень приблизился к кромке свариваемого металла, и электрическое солнце запылало под руками мастера. Чтобы не ослепить себя блеском этого солнца, чтобы не обжечь им лицо, сварщик надевает темные очки, заслоняется черным щитом. Но всего удивительнее результат: два куска металла сшивает ровная металлическая строчка, как игла умелой швеи соединяет два куска ткани.
Где только не увидишь сегодня этих металлических швов! И вагоны метро, и мосты, и подъемные краны, и металлические каркасы высотных зданий сшиты умелыми руками электросварщиков.
В электрической дуге, вспыхивающей на конце электрода, температура достигает 2400–2600 градусов. В ее пламени плавится металл стержня и изделия.
Расплавленный металл заполняет сварочную ванну — углубление, в котором и идет в соответствующий момент сварка. По мере перемещения дуги металл застывает, образуя шов. О том, как быстро идет расплавление металла, может дать представление такая цифра: нормальный электрод длиной в 450 мм расплавляется за 2 минуты. Шов высотой в 6 мм за минуту вытягивается на 12 см.
Ученые подсчитали, что для заклепочного соединения площадью в 56 кв. см, воспринимающего усилие в 62 тонны, надо поставить 11 заклепок. Для этого надо затратить 1,72 человеко-часа. А сварной шов той же площади, воспринимающий то же усилие, «стоит» всего 0,71 человеко-часа. Значит, даже простая ручная электросварка более чем в два раза повышает производительность труда, облегчает его, обеспечивает экономию металла.
Но электросварка не только заменяет клепку, она позволяет осуществить такие работы, какие клепкой сделать невозможно.
Да, этой палочки не было и у самого искусного из волшебников.
Как прикрепить, например, к одному листу в стык другой стальной лист, не применяя накладок? Это можно сделать только сваркой. А можно ли клепкой поставить заплату на пробоину в корпусе затонувшего судна? Нет, это может только сварка.
Да, целительная электрическая дуга пылает и под водой, создавая вокруг себя газо-паровой пузырь, постоянно срывающийся, взлетающий вверх зыбким хороводом мелких пузырьков, но устойчиво защищающий пламя и сварочную ванну.
Разработал методику подводной сварки советский ученый К. К. Хренов.
Очень высокое умение, поистине искусство требуется от сварщика. Чуть отдалил электрод — погасла электрическая дуга, прекратилось плавление металла. Приблизил — и снова погасает дуга, а приварившийся к металлу электрод стоит скорбным памятником неумению и неловкости. И никакой силой уже не оторвешь этой «свечки», разве только отломить можно или отрезать другим электродом, направляемым более уверенной рукой. Не каждому и не сразу удается наложить ровный, как серебряная струя, шов. И кажется, никакой механизм не сможет заменить в этом деле искусную руку человека.
Их много, самых разнообразных видов сварного шва.
Но есть автоматы, заменяющие ручную сварку. Мало того, они работают лучше, производительнее, точнее самых умелых сварщиков. Рождены эти автоматы в Институте электросварки имени Е. О. Патона под руководством ученого, именем которого назван институт.
Автоматы обычно ведут сварку под слоем флюса. Рабочий устанавливает соответствующий режим, и вот автомат уже двинулся по горизонтальному или даже вертикальному шву. Он посыпает его слоем шлака, и под ним, плавящимся, спекающимся и прочно защищающим металл от атмосферного воздуха, а значит, от окисления, возникает уже металлическая строчка шва. И возникает она в 10–15 раз быстрее, чем при ручной сварке.
Конечно, и ручная сварка не осталась без изменения. Появились электроды, обмазанные толстым слоем смеси разнообразнейших веществ. Одни из них в процессе сварки входят в металл шва и улучшают его качество, другие образуют корку защитного шлака. Возникла сварка в атмосфере инертных газов, обволакивающих расплавленный металл и препятствующих его окислению. Сварщики взяли в руки связки, составленные нередко даже из электродов разных металлов. И там, где швы на металле свиваются причудливым узором, где они состоят из многих отдельных участков, пока в основном применяется ручная сварка. А там, где нужны длинные прямые швы, например при изготовлении резервуаров для хранения нефтепродуктов, безраздельно господствуют автоматы.
Электрическая дуга позволяет сваривать стали, чугуны (с предварительным нагревом свариваемых деталей до температуры 550–650 градусов), медь, алюминий. Для каждого из этих металлов разработана своя четкая технология электродуговой сварки.
Электродуговая сварка — отнюдь не единственный вид сварки, осуществляемой электричеством. Не меньше в ряде случаев, чем дуговая сварка, распространена сварка контактная.
…Стальные листы поступили в какую-то машину. По существу здесь нужен двойной ряд заклепок, который накрепко соединил бы листы. Опускается верхняя часть станка, и пятьдесят медных пальцев касаются стали. Меньше минуты длится это прикосновение, и челюсти машины разомкнулись. Рабочий вынимает листы. Их уже не разнять: в пятидесяти точках их металл соединен сваркой. Это так называемая точечная контактная сварка.
По медным пальцам — электродам был пущен ток большой силы. Места контактов стремительно нагрелись, электроды нажали на листы, и они сварились.
Видите, как высока производительность такой сварки? Свыше 10 тысяч точек в час может сварить такая машина.
Существуют машины, создающие не ряд сваренных точек, а сплошной шов. Принцип действия этих машин не отличается от машин точечной сварки, но вместо пальцев-электродов они снабжены дисками. Между этими дисками и протягиваются свариваемые листы. Производительность таких машин очень велика — до 5–6 м шва в минуту.
Третьим видом контактной электросварки является сварка стыковая. Свариваемые детали устанавливают в специальные устройства, плотно прижимающие их друг к другу. К деталям подключают ток. Наибольшее сопротивление он встречает, само собой разумеется, в месте соприкосновения деталей. Металл разогревается, переходит в пластическое состояние, а затем сваривается.
В некоторых случаях электрическую искру заменяет пламя газа. Оно плавит и место сварки и присадочный материал.
В качестве источника газа обычно используется карбид кальция — тот же самый карбид, который рождает горючий газ ацетилен в шахтерских лампочках. Но может применяться для такой сварки и природный газ, и водород, и бензол и т. д.
Температура пламени, вырывающегося из газовой горелки, достигает 3 тысяч градусов. Одной рукой сварщик управляет горелкой, другой подает присадочный пруток. И в крохотном объемчике ванны под его руками рождается соединяющий детали стальной шов.
Одной из разновидностей такой сварки является газопрессовая. Особенно широкое применение она получила на строительстве дальних трубопроводов. При этой сварке трубы устанавливаются в стык, а это место нагревается газовым пламенем. Затем трубы прижимают друг к другу, и они свариваются.
Острым, как лезвие, пламенем газа можно не только сваривать, но и резать металл.
Совершенно особым видом сварки является сварка термитная.
…Прокладывается линия трамвая. Надо сварить рельсы в стык, чтобы не было между ними промежутков. И вот уже пришли на линию сварщики.
Нет с ними ни трансформатора для электрической сварки, ни газовых баллонов для газовой. Они надевают на соединение рельсов какой-то странный железный ящик, обмазанный внутри огнеупорной глиной, устанавливают над ним такую же воронку. В нее всыпают порошок, зажигают короткий фитиль, и… воронка мгновенно превращается в жерло миниатюрного вулкана. В ней клокочет жаркое пламя, бурлит лава. Это длится всего несколько секунд. А через полчаса рабочие разбирают свое устройство. Рельсы сварены напрочно. Осталось снять лишний металл, пригоревшие шлаки. И все.
Порошок, который рабочие подожгли в воронке, состоял из алюминия и окиси железа. Эта смесь называется термитом. При ее горении происходит стремительное окисление алюминия и выделение чистого железа. Так как температура при этом поднимается до 3 тысяч градусов— вот он, искусственный вулкан! — то вся смесь плавится. Окись алюминия всплывает шлаком, а железо стекает вниз, в железную форму, окружающую стык рельса. Оно сваривает нижнюю часть рельса, а головку его шлак нагревает до температуры размягчения. При сжатии рельсы свариваются.
А ведь по существу каждые два куска металла, положенные друг на друга, должны свариваться. Ведь существует такое явление — диффузия, проникновение атомов одного вещества между атомами другого за счет теплового движения. В результате такого проникновения в месте стыка деталей они должны как бы сплавляться, растворяться друг в друге. Почему же этого не происходит? Вероятно, этому мешают пленки окислов, которые разъедают металлы, решили ученые. Но как же уничтожить разделяющее влияние этих окислов?
Ученые решили поместить свариваемые детали в вакуум — уж тут, где нет кислорода, пленка окисла расти не сможет. Для ускорения диффузии они с помощью токов индукции нагрели обе детали, причем температура нагрева была значительно ниже той, при которой идут все другие виды сварки. Через пару минут они извлекли детали. Не было ни брызг расплавленного металла, ни искр электрического пламени — ничего, что обычно сопровождает сварку. Но извлеченные детали оказались сваренными навечно. Когда посмотрели в микроскопе на шлиф спая, увидели, что металлы как бы взаимно растворились друг в друге.
Новый способ сварки нашел себе сразу же широчайшее применение. Конечно, нецелесообразно сваривать в вакуумной камере фермы моста, а вот приварить к державке резца металлокерамическую пластинку крепче, чем этим способом, — невозможно.
Диффузионная сварка в вакууме позволяет соединять сталь с нихромом, алюминий с медью, никель с железом. Причем этот вид сварки оказался одним из самых дешевых: не надо ни электродов, ни флюсов. Разработали этот метод сварки в нашей стране под руководством кандидата технических наук Н. Ф. Казакова.
В настоящее время имеется около 120 разновидностей сварки. Количество их, конечно, все растет. И, конечно, здесь невозможно рассказать обо всех. Но нельзя не упомянуть еще хотя бы о двух.
…В 1956 году молодой токарь А. И. Чудиков обтачивал стальную деталь. Шелестя, сбегала стружка, мерно рокотал мотор станка — было все, как обычно. И начинающий токарь не заметил легкого дымка пригоревшего масла, который вился над центром задней бабки станка. А когда он попытался снять обработанную деталь, это ему не удалось. Деталь приварилась к заднему центру.
А что, если попробовать этим методом сваривать детали? Очень удобно! Не надо ни электрического тока, ни баллонов с газом.
Изобретатель попробовал. Сначала у себя в мастерских, затем в лабораториях Всесоюзного института электросварочного оборудования. И в результате возник новый метод сварки.
Предположим, нам надо сварить два обрезка трубы. Вводим между ними кольцо, сдавливаем его между трубами и начинаем наше кольцо быстро вращать. От трения повышается температура стыков, металл размягчается. Теперь надо быстро остановить кольцо и усилить давление на трубы.
Вероятно, этот вид сварки найдет еще себе довольно широкое применение в условиях строительства газопроводов, на заводах железобетонных изделий. Ведь шов, получаемый при этой сварке, имеет очень высокие качества, а затраты на нее примерно в 10 раз меньше, чем при электросварке.
Другим интересным новым методом является сварка ультразвуком. Да, да, электрическую искру и пламя газа можно заменить высокочастотными звуковыми колебаниями.
Это, пожалуй, единственный способ, которым можно сварить два тонких листка алюминиевой фольги: ведь их лепестки мгновенно завянут и сгорят в электрической дуге, их испарит огненное дыхание ацетиленового пламени, а незримый луч ультразвука не сделает им никаких неприятностей.
При сварке ультразвуком листы металла помещают под стержнем, соединенным с генератором ультразвука. В зоне действия ультразвука колеблющиеся частички металла начинают диффундировать друг в друге, смешиваться. Окисные пленки при этом исчезают. Металлы, хотя их температура поднялась лишь незначительно, как бы приобретают свойства пластичности и свариваются.
Ультразвуком можно сваривать не только в отдельных точках, но и создавая сплошной шов. В настоящее время максимальная толщина пластин, которые могут быть сварены этим способом, равна 1,5 мм. Самое интересное, что не только металлы, а и многие пластмассы могут свариваться на станках ультразвуковой сварки.
Ультразвуковая сварка длится меньше секунды, лишь в отдельных случаях этот процесс тянется «целых» шесть секунд. Но и это несравненно меньше, чем любой другой вид сварки.
Есть у ультразвуковой сварки и еще одно достоинство: она не требует тщательной очистки свариваемых поверхностей.
Такова сварка сегодня. Статоры мощнейших гидротурбин и автомобили «Волга», протянувшиеся на тысячекилометровые расстояния газопроводы и мосты — разве перечислишь все случаи ее применения, разве расскажешь о всех методах сварки?
Огненный шов в бесконечном числе случаев заменил непрочную пайку, он позволил осуществить такие работы, какие вообще были невозможны до ее появления.
У колыбели электросварки мы видим трех русских ученых — Петрова, Бенардоса, Славянова, но сегодняшнее широкое распространение электросварки обязано не только им. Множество людей — и выдающихся ученых, и талантливых рационализаторов — горением своей мысли, своим трудом сделали буквально вездесущим металлическое шитье.
Ультразвук вместо искры.
Все ли свои секреты выдала сварка? Конечно, нет. Еще плохо, только в особых условиях, сваривается чугун. Крайне затруднительна сварка некоторых легированных сплавов, недостаточно производительна ручная сварка. А сколько разных загадок в этой отрасли техники, в микрометаллургии, — ибо в ванне расплавленного металла под электродом сварщика идет сложнейший металлургический процесс, — ждут решения! Ждут светлой мысли, которая найдет нехоженый путь, ведущий к высшему совершенству того или иного процесса, того или иного участка человеческого труда.
Металл против металла
Мы уже не раз отзывались о резании нелестными словами.
И все же, несмотря на все недостатки, резание остается сейчас одним из главнейших способов обработки металла. На любом металлическом, на любом станкостроительном заводе целые гигантские цеха заняты станками, осуществляющими резание металла. Их бесчисленное количество — разнообразнейших типов, размеров, назначений.
В семейство металлорежущих станков входят и гигантские карусельные, на вращающихся платформах которых может уместиться целый дачный домик. Резцы такого станка нелегко поднять в одиночку. Среди них и малютки — токарные станки часовых заводов величиной с ручную швейную машину и резцами, похожими на иглы. Токарные, винторезные, строгальные, сверлильные, револьверные, фрезерные, шлифовальные, протяжные станки — все они предназначены для обработки резанием.
Их объединяет то, что изменение формы обрабатываемого металла осуществляется снятием стружки. Это может быть совсем крохотная частичка металла, различимая только в микроскоп. Такие пылинки-стружки снимаются песчинками корунда при шлифовке. Это могут быть и куски металла в два пальца толщиной, вылетевшие из-под резца крупного строгального станка. Но все это — стружка. И основная тенденция развития обработки металлов резанием состоит в том, чтобы снять этой стружки как можно больше за один и тот же период времени.
А что ограничивает эту скорость?
Стойкость резца. Ведь процесс резания — это борьба металла заготовки с металлом резца. Резец должен быть тверже заготовки, иначе его острую грань сомнет, изломает металл заготовки.
Подобрать сплав, более прочный, чем обрабатываемый металл, нетрудно. Издавна существует специальная группа инструментальных сталей, которые после закалки обладают достаточной твердостью, чтобы резать металл, но только сравнительно медленно.
Самый процесс резания, отрывания одних частиц металла от других, чрезвычайно сложен. Вокруг режущей грани резца металл рвется, течет, сминается, испытывает стремительно изменяющиеся напряжения. От трения выделяется большое количество тепла, нагревается заготовка, накаляется резец. Светлая поверхность стружки мгновенно темнеет, по ней пробегают цвета побежалости. Нельзя взять ее в руки — она обожжет, словно только что побывала в печи. Это вот тепло и не дает повысить скорость резания. Нагреваясь, металл резца теряет свою прочность.
Поединок металлов.
Охлаждение — первое, что приходит в голову, когда встает вопрос борьбы с нагревом резца, и охлаждение широко применяют на металлорежущих станках. Движется вдоль обрабатываемого валика резец, и вместе с ним движется струя охлаждающей жидкости. Она льется прямо на то место, где единоборствует с заготовкой резец и охлаждает его. Процентов на 25–40 удается с помощью охлаждения поднять скорость резания.
Жарко приходится в этой борьбе граням резца.
Второй путь — изготовление резцов из такого материала, который выдерживал бы высокую температуру не размягчаясь. И техника в течение более полувека идет по этому пути.
До конца прошлого века металлорежущие инструменты изготовляли главным образом из простой углеродистой стали. Ее режущие свойства теряются уже при температуре в 225 градусов. Скорость резания резцами из такой стали не превышала 5 метров в минуту.
В начале нашего века был сделан первый качественный скачок — применены для изготовления резцов легированные стали, в состав которых входят хром, вольфрам, молибден и т. д. Режущая кромка резцов из этих сталей еще надежно работала при нагреве до 600–650 градусов. Их применение позволило значительно — в 4–5 раз — повысить скорости резания. Стали эти назвали быстрорежущими: ведь скорость стекания стружки из-под резца поднялась до 30 м в секунду.
Но и это не предел эволюции.
Следующий этап борьбы за скорость резания связан с применением твердых сплавов.
Еще в 1893 году был впервые получен карбид вольфрама. Ученые сразу же заинтересовались его удивительной твердостью — она приближалась к твердости алмаза. И, конечно, сразу же возникла мысль применить это сверхтвердое вещество для резания металла.
Но это оказалось не просто. Карбид вольфрама — вещество чрезвычайно хрупкое. Чтобы изготовить из него резец, пришлось пойти на хитрость. Порошок карбида вольфрама смешали с порошком металла кобальта, спрессовали эту смесь так, что получилась пластинка, которую можно было поставить в державку резца. Прокалили ее под давлением. И оказалось, что кобальт спаял между собой частицы карбида и хрупкость материала резко снизилась.
Такие материалы начали применяться в нашей стране около 1929 года, и стойкость резцов повысилась снова более чем в полтора раза. Ведь вольфрамо-кобальтовые резцы выдерживают нагрев до 900 градусов! Это позволило поднять скорость резания еще в 4–5 раз!
Казалось, на этом возможности металлов исчерпаны, и ученые обратились к керамическим материалам. К ближайшим родственникам глиняного горшка и кирпича. Ведь именно они обладают особенной теплостойкостью. Ведь именно из них делают внутреннюю облицовку доменных печей и своды мартенов.
Конечно, и эта задача — применить керамические резцы — была нелегкой. Только около 1950 года пришли на производство первые неметаллические резцы. Их температурный потолок достигает 1200 градусов.
Основой состава керамических резцов является корунд — окись алюминия. Это самый твердый после алмаза материал. Высока и температура его плавления — 2050 градусов.
Применение керамических резцов позволило увеличить скорость резания до 1000 м в минуту. Таким образом, скорость резания выросла за полвека в 200 раз!
Искра вместо резца
Легенда рассказывает о встрече двух мудрецов древности — царицы Савской и царя Соломона. Испытывая догадливость друг друга, они загадывали хитроумные загадки. Так, царица передала однажды Соломону драгоценный камень, пронизанный извилистым ходом, запутанным, как лабиринт.
— Продень сквозь это отверстие нитку, о мудрый, — предложила она.
Соломон не растерялся. Он взял шелковичного червя и сунул в отверстие. Червь полез по ходу, повторяя все его повороты, а за ним тянулась шелковинка.
— Вот шелковая нить, продетая сквозь твой камень, — сказал Соломон, когда червяк вылез.
Наверное, если бы царица Савская задала Соломону задачу проделать такое отверстие, он, при всей его изобретательности, встал бы в тупик.
В этих дисках аккумулированы воля и мысль человека.
Это было бы нерешимой задачей и для инженера всего лет двадцать назад. Но сегодня проделать криволинейное отверстие даже в самом сверхтвердом сплаве не представляет труда. Конечно, оно не должно быть таким запутанным, чтобы в него нельзя было ввести твердый инструмент, — это все-таки и сегодня задача, не решаемая одной обработкой резанием.
Впрочем, задач, которые не может или только с огромным трудом может решить технолог, располагающий только металлорежущими станками, немало.
Как, например, просверлить в сверхтвердом сплаве отверстие диаметром в 0,02 мм? И как в пластине из закаленной инструментальной стали вырезать узкую щель в виде буквы «ж»?
Все это стало возможным в самые последние годы, после изобретения Б. Р. и Н. И. Лазаренко метода электроискровой обработки металла.
Супруги Лазаренко никогда не занимались металлообработкой. Они, наоборот, искали пути уменьшить пригорание контактов реле и других электрических переключателей. Дело в том, что поработавшие контакты реле часто становятся негодными. Обычно на одной пластине возникает выщерблина, раковина, на другой, наоборот, нарастает бугорок металла. Казалось, проскакивающая между контактами искра переносила частицы металла и наконец насобирала бугорок. Найти методы борьбы с этим вредным явлением и поставили своей задачей Лазаренко.
Исследуя явление, они убедились: да, это искра переносит металл. И тогда возникла идея: а что, если, наоборот, не уменьшить, а увеличить переносящую силу искры и использовать этот метод для обработки металла?
Сегодня станки электроискровой обработки можно найти на многих предприятиях. Вместо сверхтвердого резца у них вставлен инструмент из мягкой латуни. Но не он, а электрическая искра, вылетающая из него, обрабатывает здесь металл.
Заготовка изделия — безразлична ее твердость, предварительная термическая обработка — помещается в ванне с водой или другой не проводящей электрический ток жидкостью. К ней подсоединяют один из электродов довольно сложной электрической схемы станка. Второй элемент соединен с мягким латунным инструментом. Вот он начинает наклоняться над заготовкой, вот приблизился к ней. Замутилась вода около латунного лезвия. Началась прошивка отверстия.
Латунный резец не касается заготовки. Специальное устройство все время поддерживает его на таком расстоянии, чтобы непрерывно проскакивали искры. И по мере образования отверстия резец медленно опускается в него. Нет, он опускается совсем не медленно: ведь под ним сверхтвердая закаленная сталь, которую даже не поцарапало бы лучшее сверло. И все же в пластинке толщиной в 2 см всего за одну минуту мы проделали сквозное отверстие.
Латунный резец можно сделать любой формы и любого размера. Можно просверлить им отверстие диаметром в 5 микрон, в десять раз тоньше человеческого волоса, и вырезать паз любой, самой причудливой формы. Можно им «высверлить» и кривое отверстие.
Электроны вместо резца.
На автоматических заводах будущего и дирекция будет автоматической Но художник, конечно, не ручается, что директор будет выглядеть именно так.
И, пожалуй, самое главное: этим способом можно обрабатывать любой самый твердый металл.
Конечно, у электроискровой обработки есть и недостатки. Она требует больших затрат электроэнергии, ее производительность на мягких металлах ниже, чем при обработке резанием.
Дальнейшим развитием электроискровой обработки является электроимпульсная.
Станки для обработки электроимпульсным методом внешне почти не отличаются от электроискровых. Изменена в них только электрическая схема. Однако производительность электроимпульсной обработки в 5–6 раз выше. Лучше обстоит дело и с расходом электроэнергии и с изнашиваемостью металла «резца».
А вот и еще один станок, в котором инструмент сделан не из сверхтвердого сплава, а из мягкого кровельного железа. Это станок для анодно-механической обработки.
Видели вы циркулярную пилу? Вот так же вращается и тонкий железный диск этого станка. Только у него нет зубцов, его обод гладкий, словно полированный. И все же в заготовке, которую режут этим удивительным диском, все углубляется и углубляется щель.
Секрет анодно-механической обработки прост. Один полюс источника тока подсоединен к диску, другой — к детали. Место их соприкосновения непрерывно поливается каким-либо электролитом — жидкостью, проводящей электрический ток. Поэтому ток постоянно течет сквозь зону резания.
Этот ток постоянно разъедает металл, образуя на поверхности тонкую пленку. Пленка соскабливается вращающимся диском, и снова обнажается металл. Происходит непрерывное электрохимическое разрушение детали. Вместе с тем имеет место и электроэрозионный процесс разрушения металла искрой.
На ряде заводов введение анодно-механической резки металла взамен механической повысило производительность труда в полтора с лишним раза. А стоимость анодно-механической резки почти в два раза ниже резки механической.
Еще проще электроконтактная обработка. Схема станка для нее такова же, что и при анодно-механической, но, во-первых, в этом случае используется не постоянный, а переменный ток, во-вторых, дело обходится без электролита. В месте соприкосновения диска и разрезываемого металла возникает очень высокая температура. Металл заготовки размягчается и выбрасывается металлом диска, который успевает охладиться.
Электроконтактная обработка применяется для резки проката и труб, для обработки шариков для подшипников.
Электричество может осуществлять не только грубые, но и самые тонкие отделочные операции. Оно может даже шлифовать.
Сущность этого процесса такова же, как и при анодно-механической обработке. Бруски из абразивного материала, с небольшой силой прикасаясь к обрабатываемой поверхности, снимают с нее пленку окисла, а электролит, сквозь который проходит ток, растворяет металл.
Производительность такой шлифовки в 5–6 раз выше других чисто механических способов, обеспечивающих ту же точность и чистоту поверхности.
Высокую чистоту поверхности можно получить и электрическим полированием. В этом случае изделие помещают в электролит и через него пропускают электрический ток. Интересно, что при этом растворение металла происходит в первую очередь с выступов на поверхности металла, так что в общем его поверхность становится очень чистой.
В речи на Всесоюзном совещании по энергетическому строительству в ноябре 1959 года Никита Сергеевич Хрущев сказал:
«Что такое электрификация всей страны? Это — основа основ развития народного хозяйства. Без осуществления электрификации нельзя на современном этапе успешно и быстро двигать вперед и тяжелую индустрию и строительство, транспорт и сельское хозяйство, производство товаров народного потребления, нельзя поднять культуру производства и быта. Электрифицировать всю страну — это значит дать могучую энергию новому обществу, ускорить развитие его производительных сил…»
Это полностью относится и к металлургии и к металлообработке.
И дело не только в том, что современный прокатный стан имеет вместо паровой машины электродвигатель. Дело в том еще, что только в электропечах можно выплавить сверхкачественную сталь для высокопрочного проката, что только электричество обеспечивает автоматизацию этого прокатного стана, что оно позволяет осуществить такую обработку деталей, сделанных из этой стали, какой иначе выполнить невозможно. И, самое главное, во всех этих случаях неизмеримо растет производительность человеческого труда.
Только началось применение электрических способов обработки металла в цехах, где осуществляется его резание. Но уже в целом ряде случаев методы обработки, основывающиеся на применении электричества, конкурируют и превосходят механическое резание по всем показателям.
И, конечно, они будут завоевывать у механического резания все новые позиции, поднимая производство на новую, высшую ступень.
