Новые материалы в промышленности

Быстрорежущая сталь. С развитием металлургии широкое развитие получили исследования взаимосвязи структуры сплавов на основе железа и их свойств. Но еще до познания этой связи химики и металлурги эмпирическим путем создали стали с особыми свойствами. Затраты на эти работы были значительными.

Более двух десятилетий продолжались систематические исследования, которые проводили два американца, прежде чем они смогли представить специалистам новую инструментальную сталь, превосходящую по своим свойствам все ранее известные стали. На Всемирной выставке 1900 г. специалисты впервые услышали о быстрорежущей стали Фредерика Винслоу Тейлора (1856-1915).

Выставка проводилась в Париже и по своему великолепию должна была превзойти все виданное до сих пор. Это должно было быть супершоу искусства и культуры, науки и технического прогресса. Так было задумано. Взоры всего мира были обращены к Парижу, и тот, кто это мог себе позволить, отправлялся туда.

При таком обилии мнимых и истинных сенсационных достижений те или иные новшества, которые неминуемо должны были оказать воздействие на целые технические области или даже революционизировать их, узнавались и по достоинству оценивались только специалистами. К таким новшествам, безусловно, относились инструментальные стали фирмы «Бетлехем Стил», внедрение которых в значительной степени способствовало техническому прогрессу.

Фредерик Тейлор и его друг, химик по образованию и призванию, Монсель Уайт работали на сталеплавильных заводах фирмы «Бетлехем Стил» в Филадельфии - крупнейшем городе штата Пенсильвания (США). Неожиданности были связаны с вольфрамом, которым уже легировали инструментальную сталь. Идея дополнительно легировать эту сталь еще и хромом родилась по особым причинам.

Во второй половине XIX в. промышленные страны начали беспрецедентную гонку вооружений. Образовались крупные концерны, занимавшиеся производством оружия, во главе которых стояли такие промышленники, как Армстронг в Англии, Шнейдер и Крезо во Франции, Крупп в Германии, Карнеги в США. Эти концерны выпускали пушки и бронированные колпаки, морские артиллерийские орудия и военные корабли. Потребность в снарядах, торпедах и стрелковых боеприпасах выросла до беспредельных размеров и везде требовалась сталь, сталь, сталь...

Чем качественнее была сталь, тем лучше было оружие. Особенно заметную роль качество стали играло в соревновании между броней и снарядом. И для того, и для другого начали применять легированную сталь, как только она появилась. Во Франции Я. Хольтцер рекомендовал и для брони, и для снарядов применять сталь, легированную хромом. Еще на Всемирной выставке 1878 г. металлургическая общественность узнала, что хромистая сталь превосходит все ранее созданные и применявшиеся: такую закаленную сталь не брала никакая другая. Это и натолкнуло Тендера и Уайта на мысль легировать вольфрамовую сталь хромом. Новая чудо-сталь содержала не менее восемнадцати процентов вольфрама и четыре процента хрома. Толпы специалистов заполняли механическую мастерскую, когда шла демонстрация этой стали. С восхищением они наблюдали, как раскаленный докрасна резец из этой стали не терял стойкости при обработке заготовки из другой стали. Скорости резания были в четыре раза выше обычных. Восторгам не было конца. Так начал свое победоносное шествие резец из быстрорежущей стали. Однако вскоре появились и первые критические высказывания. Дело было в том, что из-за резкого увеличения скорости резания начали выходить из строя и разрушаться токарные станки, не имевшие необходимого запаса прочности. Замена изношенных подшипников и ходовых винтов требовала затрат, превосходивших прибыль, которую давало применение повышенной скорости резания. Потребовалось полное обновление парка токарных и фрезерных станков, причем станки строились более тяжелые, с большим запасом прочности.

Сталь Гадфильда. Во второй половине XIX в., когда литая сталь пришла на смену сварочному железу, и чугун, и сталь начали в большей степени, чем когда-либо, определять технический прогресс, люди очень мало знали о причинах превращения железа в сталь и еще меньше о механизме действия легирующих элементов. Постепенно наука проникала в тайны металлургии. Была создана основанная на работах Реомюра и Чернова теория закалки сталей, прочное место завоевал химический анализ, были введены механические испытания материалов, стальные конструкции начали рассчитывать, а не изготовлять на глаз. И, тем не менее, было очень много непознанного, и пробирование преобладало над штудированием, т. е. практика преобладала над наукой, однако пробирование осуществляли теперь более систематизированно.

Человек, который в течение длительного времени занимался систематическим пробированием и делал это особенно успешно, был англичанином. Его имя - Роберт Абот Гадфильд (1858-1923). Гадфильд легировал сталь самыми различными элементами, как до него это делали множество ученых. Он изготовил и исследовал множество самых различных сплавов. Один из них оказался главным и сделал Гадфильда знаменитым. В то время ему не было и двадцати пяти лет. Сталь Гад- фильда, как ее вскоре стали называть, содержала не меньше 12 % марганца и оказалась первой в ряду необычных сталей.

Это была поистине счастливая минута Роберта Гадфильда, когда он установил, что марганцовистая сталь совершенно не похожа на все другие. Вместе со своим ассистентом он попытался подвергнуть закалке откованный образец. Раскалив образец добела, он опустил его в чан с водой, а когда извлек из чана, обнаружил, что сталь стала не тверже, как все стали после закалки, а мягче. Но это была не единственная неожиданность, которую приготовила сталь своему создателю и специалистам. Гадфильд даже рассердился на своего ассистента, когда тот во второй половине того же дня вбежал в плавильное отделение, где шла очередная плавка, и стал утверждать, что новая сталь не поддается ни токарной обработке, ни фрезерованию.

Выяснилось, что тупятся резцы из самых лучших инструментальных сталей. Эту сталь невозможно ни резать, ни фрезеровать, ни строгать.

Образец марганцовистой стали все еще был зажат на токарном станке. Ассистент включил его, и в тот момент, когда резец достиг образца, раздался сильный скрежет, от которого Роберт вздрогнул и махнул рукой ассистенту, чтобы тот прекратил обработку.

В последующие дни и недели Г адфильд и его ассистент практически не покидали завод. Они испытывали на ковкость различные стали, содержавшие до 20 % марганца. Предпринимались попытки закаливать сталь Гадфильда в различных средах, но тщетно. Она оставалась мягкой. Когда ее подвергали холодной ковке, то участки, на которые приходились удары молота, становились твердыми, и чем больше была степень деформации, тем тверже становилась сталь. При обработке напильником наблюдалось аналогичное явление. Сопротивление металла под напильником росло по мере надавливания: чем сильнее был нажим, тем больше сопротивление. Проведя все эти исследования, Гадфильд и его помощник перестали удивляться поведению стали при обработке со снятием стружки.

В 1883 г. Роберт Гадфильд запатентовал марганцовистую сталь. Вокруг разгорелись страсти. Многие не верили в необычные свойства стали и предполагали обман или некомпетентность. Но факты оставались фактами, а человечество получило сталь, сопротивляемость которой нагрузкам росла по мере их увеличения. Это был идеальный материал для сейфов, предохранительных решеток, для высоконагружаемых деталей машин и подверженных усиленному износу участков машин и механизмов. Но вряд ли кто сегодня вспомнит изобретателя марганцовистой стали, когда, например, едет в трамвае и тот со скрежетом и визгом проходит по стрелкам или круто поворачивает.

Роберт Гадфильд, без сомнения, принадлежит к плеяде тех последних крупных изобретателей нового времени, в которых органически сочетались стремление к техническому прогрессу и капиталистическое предпринимательство. Его имя неразрывно связано с внедрением в технику специальных легированных сталей. Сталь Гадфильда является первой аустенитной сталью, примененной на практике.

Никелевые стали. Многие отрасли промышленности испытывали потребность в высококачественных сталях. Уже во время Крымской войны союзный флот использовал деревянные корабли, бронированные стальными плитами, а в 1861 г. со стапелей английской верфи сошел первый военный корабль, полностью изготовленный из стали. Это был «Warrior», т. е. «Воин», за которым последовали корабли, бронированные не только более толстыми стальными плитами, но и плитами из стали, легированной хромом и никелем. Особенно ценные свойства придал стали никель, поэтому никелевые стали успешно конкурировали с хромистыми.

На весенней 1889 г. сессии Iron and Steel Institute инженер Джон Райли из Глазго сделал сообщение о созданной им никелевой стали. Ровно десять лет прошло с того дня, когда с этой же трибуны Сидни Джилькрист Томас обнародовал свой способ продувки чугуна. Джон Райли присутствовал при этом и тоже выступал с сообщением, в котором говорилось о способе продувки чугуна, сходном с томасовским. Заявки на аналогичные методы поступали и от других изобретателей. В споре за приоритет изобретатели боролись прежде всего за финансовые интересы, а не за славу. В качестве третейского судьи для решения спора пригласили авторитетного голландского физика сэра Уильяма Томсона, жившего в Глазго. По его решению Джону Райли отчислялось 12,5 % из прибыли, которую приносил томасовский процесс внутри страны, и 15 % от прибыли, получаемой за ее пределами. Эти проценты сделали его богатым человеком, а слава тогда пришла к Сидни Томасу.

Джон Райли не был выдающимся оратором, но сумел так представить результаты своих исследований, что специалисты живо заинтересовались его данными. Он привел характеристики прочности, которые вызвали удивление, смешанное с недоверием. Двухпроцентная никелевая сталь была почти в четыре раза прочнее обычного сварочного железа при вязкости, значительно превышавшей вязкость хромистых сталей. При увеличении содержания никеля в стали ее свойства становились еще лучше. Более всего от этого соревнования в создании качественных сталей выиграла военная промышленность, в частности промышленность, поставлявшая броневые плиты. Джон Райли прокатывал на заводе фирмы «Блочер Стил» броневые плиты из никелевой стали для английского военно-морского флота.

Во Франции, России, Германии, где также началось широкое производство и применение никелевых сталей, из них изготавливали конструкции и детали машин, испытывающие высокие и сверхвысокие по тем временам нагрузки. Для подшипников применяли хромистую и хромоникелевую сталь.

Сталь превратилась в тысячеликий материал. Однако изделия из нее имели один существенный недостаток: их рано или поздно съедала ржавчина. Особенно быстро ржавчина разрушала сталь в морской атмосфере, поэтому корабли постоянно требовали окраски для защиты от коррозии. Обычно не успевали закончить окраску, как ее надо было начинать сначала. Кисть у матроса стала одним из основных рабочих инструментов. На суше ситуация была немногим лучше, особенно в промышленных районах, где «красный дьявол» бесследно уничтожал громадные ценности. Почему же сталь не сопротивляется коррозии так, как благородные металлы? Этот вопрос стал вызовом науке, которая в это время делала свои первые шаги в области специальных сталей.

В конкурентной борьбе крупных сталеплавильных концернов наука постепенно занимала все более прочное положение. Вскоре уже никто не удивлялся, если фирмы создавали собственные исследовательские лаборатории и даже целые институты. Миновали времена, когда владелец завода определял технический прогресс, а это было особенно характерно для черной металлургии, начиная с Бенджамина Гентсмана и кончая Аботом Гадфильдом. Химический анализ исходных материалов, т. е. руд, топлива и добавок, а также готовых изделий, стал обычным делом на металлургических заводах. Затем были введены испытания физических и механических свойств материалов, а также анализ микроструктуры, что способствовало значительному улучшению качества продукции и одновременно стало основой современной науки о металлах.

В 1909 г. первым ассистентом в химико-физической научно-исследовательской лаборатории фирмы Фридриха Круппа был назначен Эдуард Маурер (1886-1969). Свою докторскую степень он получил менее месяца назад в Высшей технической школе в Аахене. Молодой человек прожил целый год в Париже, работая в Сорбонне у знаменитого Ле Шателье, которому металлургия железа обязана значительными открытиями. Вполне очевидно, что парижский период жизни был во многом поучительным для Эдуарда Маурера, и он его хорошо использовал. Свою новую должность в лаборатории молодой человек занял, будучи отлично подготовленным.

В 1912 г. Маурер и его непосредственный руководитель профессор Штраус добились большого успеха. Уже в течение нескольких лет они изучали стали, легированные хромом и никелем. Их интересовало влияние на свойства стали различных режимов термической обработки. Опытная сталь, обозначенная «2А», после определенной термической обработки приобретала свойства, невиданные до сих пор. При нагреве выше 1 000 °С и закалки в воде сталь становилась нержавеющей и в определенной степени кислотостойкой. Эта сталь и марганцовистая сталь Гадфильда оказались близкими родственниками. Сталь V2A, как ее и сегодня называют (сто лет спустя после изобретения), представляет собой аустенитную сталь с таким же расположением атомов в кристаллической решетке железа, как и у марганцовистой стали. В состав ее входит 18 % хрома и 8 % никеля. За ней последовали другие легированные стали, обладающие все более неожиданными свойствами.

Сталеплавильщики превратились в волшебников, путем легирования получая нержавеющие и кислотостойкие, жаропрочные и окалиностойкие, хладостойкие и другие стали. Казалось, все возможно, и, когда химической промышленности потребовалась сталь, устойчивая в условиях воздействия высоких температур и повышенных давлений водорода, металлурги создали ее, как сегодня создают стали для ядер- ной техники.

В 1925 г. Эдуард Маурер принял кафедру металловедения во Фрайбергской академии. После Второй мировой войны он был назначен директором Научно-исследовательского института черной металлургии в Берлин-Хеннигсдорфе и использовал все свои знания, опыт и авторитет для создания черной металлургии Германской Демократической Республики.

Инструменты из сверхтвердых материалов. В конце XIX- начале XX в. в ряде стран широко развернулись исследования по получению новых инструментальных материалов. В результате этих исследований в 20-х гг. созданы твердые сплавы - износостойкие металлические материалы с весьма большой твердостью, сохраняющейся на достаточно высоком уровне при нагреве до 900-1 000 °С. Были получены два типа твердых сплавов: литые и порошковые.

Твердосплавный инструмент привел к большим техническим преобразованиям в металлообрабатывающей промышленности. Его использовали для изготовления металлорежущих инструментов. Здесь применение твердых сплавов несколько ограничено их хрупкостью, однако при чистовых обработках использование твердых сплавов крайне эффективно и позволяет существенно повысить производительность обработки.

Кроме того, твердые сплавы фактически совершили переворот в волочильном производстве. В результате их применения в несколько раз повысилась производительность волочильного оборудования, возросли скорости и изменилась технология волочения, повысилось качество продукции, улучшились условия труда.

Инструменты из литых твердых сплавов. Из применявшихся в начале XX столетия литых твердых сплавов необходимо отметить два основных вида - стеллиты и литые карбиды.

Стеллиты представляют собой кобальтохромовольфрамовые сплавы, хорошо сохраняющие прочность при высоких температурах. Твердость стеллитов составляет 57-67 единиц по Роквеллу. Стеллиты применялись для изготовления инструмента до появления более совершенных литых карбидов.

К числу литых карбидов, нашедших применение в промышленности, относятся воломит и эльмарид. Литые карбиды исследованы перед Первой мировой войной Г. Ломаном (Германия). Наиболее твердым из них оказался карбид вольфрама, на основе которого позже получен сплав, названный воломитом. Содержание вольфрама в воломите колеблется от 70 до 95 %, остальное составляют кобальт, никель, хром, железо и углерод.

Несмотря на ряд положительных качеств, инструменты из литых карбидов обладали и существенными недостатками: пористостью и небольшой механической прочностью. Поэтому в 20-х гг. была разработана новая технология получения твердых сплавов методом спекания порошков, быстро распространившаяся в производстве.

Инструменты из спеченных твердых сплавов. Основу этих сплавов составляет спеченный карбид вольфрама, сцементированный добавкой небольшого количества кобальта. В конце 20-х гг. в ряде стран появились близкие по химическому составу спеченные твердые сплавы: в Германии под названием видна, в США - карболой и в СССР - победит.

Полученный в СССР в 1929 г. твердый сплав победит оказался высокоэффективным материалом для инструмента. По данным одного из советских заводов, пропускная способность волоки из победита с диаметром отверстия 5,0 мм составила до 90 т проволоки, причем износ отверстия не превышал 0,05 мм.

Твердые сплавы изготавливают путем спекания смеси порошков карбидов и кобальта или других соответствующих компонентов. Порошки предварительно изготавливают методом химического восстановления (1-10 мкм), смешивают в соответствующем соотношении и прессуют под давлением 200-300 кгс/см2, а затем спекают в формах, соответствующих размерам готовых пластин, при температуре 1 400-1 500 °С в защитной атмосфере. Такая технология изготовления твердосплавных пластин называется порошковой металлургией.

Алмазный инструмент. Одним из факторов, оказавших влияние на масштабы и развитие алмазного инструмента, было появление машин многократного волочения проволоки, экономическая эффективность которых резко повысилась в результате применения алмазных фильер. Другой важный фактор - резко возросший в конце XIX в. спрос на проволоку для проводов и кабелей, нитей накала электрических ламп, а также специальных видов проволоки, отличающейся строго определенным диаметром и качеством поверхности по длине.

С середины XX в. алмазный инструмент стали применять при обработке материалов на металлорежущих станках.

В течение последних 100 лет резко возрос спрос на технические алмазы. Доля технических алмазов в общем объеме их добычи в мире превышает в настоящее время 80 %. С 50-60-х гг. наряду с природными алмазами для изготовления инструмента стали применять синтетические алмазы. Фильеры из синтетических алмазов обладают высокой износостойкостью. Так, через фильеры, изготовленные из алмаза марки АСБ-5, протягивается до 1 850 т медной проволоки диаметром 1,76 мм (вместо 50 т для твердосплавных волок).

Обработка алмазов сопряжена с большими трудностями, связанными с их высокой твердостью. Поэтому в технологию обработки алмазов в последние полвека были введены крупные технические новшества. Традиционная технология, основанная на механических принципах сверления и обработки отверстий в заготовках алмазных фильер, пополнилась принципиально новыми высокоэффективными способами. В 60-х гг. получил распространение комбинированный способ, включающий электроэрозионное сверление канала фильеры и механическую доводку полученного отверстия до строго заданных размеров с последующей шлифовкой и полировкой его поверхности с помощью абразивов. Примерно в те же годы был создан способ сверления алмазов, основанный на ультразвуковой обработке.

Еще более эффективным оказался способ обработки алмаза с помощью лазерного луча. Применение лазера для обработки алмазов и других сверхтвердых материалов началось в СССР в 60-х гг. Лазерный луч в точке приложения имеет температуру 5 500-9 000 °С, что позволяет расплавлять и превращать в пар любой из существующих в настоящее время материалов. Этот процесс обладает высокой производительностью.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >