Юный техник, 2005 № 03

Металлургия, как известно, одна из самых консервативных отраслей

А о том, что сталь необходимо закалять, знали еще античные металлурги и кузнецы. Так, знаменитый Гомер в своей «Одиссее», написанной чуть ли не за тысячу лет до нашей эры, указывает, что «крепче железо бывает, в огне и воде закаляясь»…

Этой технологии и по сей день придерживаются деревенские кузнецы, остужая откованные подковы в холодной воде. С той лишь разницей, что после исследований замечательного русского металлурга Д.К. Чернова, сделанных им сто лет тому назад, стала известной и физическая суть этого процесса.

Быстро остывая в холодной воде, сталь при этом образует упорядоченную структуру, мелкие твердые зерна, а не большие и менее прочные, как при постепенном остывании на воздухе.

Впрочем, технологи знают и многие другие хитрости. Сталь закаляют и в масле, и в специальных смесях… Современные металловеды также добавляют в сталь вольфрам, молибден и другие легирующие, то есть упрочняющие, элементы. В итоге за последние полвека, например, прочность чугуна, стали и легких сплавов выросла приблизительно в 10 раз. Без этого мы не имели бы теперь ни высотных телевизионных башен, ни сверхмощных турбин, ни космических кораблей.

И все же возможности дальнейшего повышения прочности материалов не исчерпаны. До ее теоретического предела, вычисленного физиками, еще далеко. Поэтому ученые продолжают прокладывать дорогу к этому запрятанному в недрах вещества кладу, проявляя иной раз завидное хитроумие.

Вот тому хотя бы несколько примеров.

Для человека лучший способ взбодриться — принять душ. Оказывается, водный душ не помешает и металлу. Именно усталость металла — наиболее частая причина аварий высокооборотных моторов, турбин, самолетов. Сравнительно небольшие, но многократно действующие нагрузки способны расшатать структуру металла, вызвать появление предательской усталостной трещины, а затем и разрушение конструкции.

Чтобы деталь подольше не «уставала», чтобы она лучше сопротивлялась разрушающим нагрузкам, ее обычно упрочняют — наклепывают поверхность, создают в ней сжимающие напряжения.

Для этого существует несколько способов. Так, поверхности валов обжимают, обкатывают специальными твердыми роликами. Листовые рессоры автомобилей и пружины «обдувают» сильным потоком дроби. Ударяясь, дробинки вдавливают металл, оставляют на его поверхности вмятинки, создающие остаточные напряжения и повышающие усталостную прочность.

А вот уральский металлург Б.Г. Козин додумался заменить ролики или дробь водой. Он рассуждал примерно так. При сверхвысоких давлениях водяная струйка превращается в режущий инструмент, способный рассечь стальную плиту. Значит, плавно меняя давление, можно получить и такую струю, которая бы детали не разрезала, но была бы достаточно сильной, чтобы уплотнять. Расчет показывает: для деталей из углеродистых сталей вполне достаточно 4–6 тысяч атмосфер. Причем вода, в отличие от дробинок, не царапает поверхности, водяной струе легче забраться во внутренние полости, карманы, обработать отверстия, лазы, канавки и другие наиболее опасные с точки зрения усталостных напряжений места. Причем все необходимое оборудование — насос высокого давления да специальное сопло.

След маркера отчетливо виден даже в раскаленной печи.

Чтобы кожаная обувь не промокала, ее смазывают кремом или жиром, чтобы деревянные телеграфные столбы не гнили, их пропитывают особым составом… Точно так же можно поступать и с металлом. Насыщая поверхностные слои чугунных и стальных деталей алюминием, мы повышаем их жаростойкость, бором — коррозионную стойкость и твердость, азотом — износоустойчивость. Но в отличие от кожи и дерева металл просто так не пропитаешь. Обычно чтобы обеспечить его химико-термическую обработку, нужны нагревательные печи, ванны с жидким расплавом, газовые камеры и другие агрегаты.

А вот доктор технических наук В.И. Просвирин и его коллеги из Рижского инженерного училища ГВФ нашли способ обойтись без сложного оборудования. Они предложили наносить на поверхность деталей так называемые энерговыделяющие пасты. При этом металл нагревается за счет тепла происходящих экзотермических реакций. В то же время вещества, выделяющиеся из пасты, насыщают поверхность металла активными легирующими элементами.

Сама же технология химико-термической обработки предельно проста. Детали, намазанные той или иной пастой, засыпают сухим песком (иногда их оставляют даже лежать на открытом воздухе) и поджигают. Металл сильно разогревается, причем температуру нагрева регулируют, подбирая нужное количество энерговыделяющего компонента, и легирующие элементы легко проникают в него. А через 2–3 минуты обработанные заготовки бросают в воду для охлаждения. На этом весь процесс и заканчивается.

Чугун, как известно, бывает двух видов — белый и серый, ковкий. Первый очень непрочен, деталь из него можно разбить молотком. А вот второму такие удары нипочем. Между тем, по своему химическому составу белый чугун не отличается от ковкого. Разница лишь в том, что углерод, химически соединенный с железом, в первом случае образует структуру в виде заостренных клиньев, во втором — в виде безобидных шариков-глобулей.

Чтобы превратить белый чугун в серый, его обычно несколько суток выдерживают в томильной печи. Но есть и другой способ, более быстрый — чугун облучают электронами и нейтронами. Такая бомбардировка тоже меняет свойства кристаллической решетки в желаемом направлении. Однако требуется дорогостоящее оборудование, да и сам чугун становится радиоактивным. А это уже совсем нежелательно.

Сотрудники Института металлургии имени А. Байкова В. Шалашов, И. Пронман, А. Жуков и другие предложили еще один способ, обладающий тем достоинством, что он позволяет использовать дешевые отходы атомной энергетики, не активирует детали и позволяет резко сократить продолжительность отжига.

Теперь детали из белого чугуна обрабатывают гамма-лучами, выделяющимися из радиоизотопов. При этом в кристаллической решетке происходят как бы микровзрывы, сопровождаемые мгновенными, длящимися стомиллиардные доли секунды, и высокотемпературными — до 10 000° — тепловыми всполохами. Они-то и заставляют графит принять безобидную глобулярную форму. Причем в некоторых экспериментах белый чугун удавалось превратить в ковкий всего за два часа. А поскольку изотопы используют быстрораспадающиеся, то радиация исчезает почти тотчас после облучения.