ВЫСОКИЕ ПАРАМЕТРЫ. ВЧЕРА - УНИКАЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ, СЕГОДНЯ - ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
А. Целиков, академик
В последние годы параметры многих технологических процессов начали измеряться цифрами, которые еще совсем недавно вполне обоснованно считались экзотическими давления - миллионами атмосфер, температуры - тысячами градусов, скорости - сотнями метров в секунду. Тем не менее цифры эти уже прочно вошли в арсенал современной технологии.
И не удивительно именно эти, далекие от наших привычных представлений, как говорят специалисты, экстремальные условия дают возможность наиболее эффективно воздействовать на вещество, изменять его свойства в нужных направлениях, осуществлять превращения, немыслимые в рамках традиционных процессов. Синтетические алмазы и пластическое деформирование абсолютно хрупких в обычных условиях материалов, сварка взрывом и производство сверхпроводников, превращение в монолит тончайших порошков и получение полимеров с огромными молекулярными весами. Здесь - в области высоких параметров - сегодня пролегает передний край технологии, созидающей и обрабатывающей материалы для современной техники, проходит линия генерального наступления на многие тайны природы. На разных участках этого важнейшего фронта темпы наступления, естественно, различны. Зависят они от многих факторов и прежде всего от того, какие сосредоточены силы, от тщательности теоретической и экспериментальной разведки, от таланта наступающих.
Академик Александр Иванович Целиков рассказывает об одном из участков этого фронта, где советские ученые и инженеры добились выдающихся результатов.
Работы в области технологического использования высоких гидростатических давлений завершились большим успехом благодаря тому, что удалось плодотворно объединить усилия ученых ряда институтов Академии наук СССР, Академии наук УССР, отраслевых институтов и конструкторских бюро и работников промышленности.
Эти успехи убедительно свидетельствуют об огромном вкладе ученых академий наук в развитие научно-технической революции в нашей стране.
Председатель Научного совета при Президиуме АН СССР по проблеме «Новые процессы получения и обработки металлических материалов», лауреат Ленинской премии. Герой Социалистического Труда, академик
Б. ПАТОН.
УЧЕНЫЙ ДОЛЖЕН ДЕРЗАТЬ
С высоты наших сегодняшних представлений, имея за плечами тот опыт, которым мы ныне располагаем, легко утверждать, что использование высоких давлений для обработки материалов - одно из наиболее перспективных направлений в современной технологии. Однако лет пятнадцать - двадцать назад, когда такие работы только начинались, все выглядело совсем не очевидным и далеко не бесспорным.
Какова была ситуация в те годы?
Все без исключения быстро развивающиеся области техники предъявляли к металловедам, металлургам и технологам непрерывно повышающиеся требования. Это относилось, и к таким экзотическим в те годы областям, как атомная энергетика, электроника, космическая техника, и к уже традиционным - к авиации, скоростному транспорту, химической промышленности, электротехнике. Всем были нужны материалы прочные и в то же время достаточно пластичные, стойкие против коррозии и не боящиеся высоких и низких температур, способные работать в глубоком вакууме.
Удовлетворить не только максимуму этих требований, но даже и разумному минимуму, используя процессы и методы обработки, которые в те годы находились в нашем распоряжении, было невозможно.
Подобная ситуация в, каком-то смысле характерна и типична для острых моментов в развитии науки. Но это вовсе не облегчает выбора решения. Дело в том, что такая ситуация допускает, как минимум два принципиально различных подхода. Первый - дальнейшее совершенствование традиционных процессов и методов. Второй - поиск принципиально новых путей. Каждый из них, естественно, имеет право на существование, каждый имеет свои минусы и плюсы.
Первый подход, бесспорно, спокойнее и психологически комфортабельнее. У избравшего его в тылу хорошо разработанные теории, богатая практика, отлаженное оборудование. Совсем немаловажно и то, что в случае неудачи налицо могущественный аргумент испробованы все возможности техники сегодняшнего дня, но она, увы, не всесильна. К тому же совсем полная неудача почти невероятна, зато хоть небольшое усовершенствование процесса будет наверняка.
Лауреат Ленинской премии, Герой Социалистического Труда, академик А. ЦЕЛИКОВ.
Второй подход. Здесь все «езда в незнаемое». У исследователя чаще всего нет твердой опоры ни в теории, ни в эксперименте. Есть только некоторые общие соображения, интуиция. И огромный риск. Риск потратить годы на идею, которая, как правило, вызывает мощный поток возражений скептиков и просто трезвых и осторожных людей. Риск «отвлечь» коллектив и вложить немалые деньги в безусловно спорное дело. Наконец, риск прослыть неудачником.
Это отступление мне кажется вполне уместным и даже необходимым. Ибо именно такая ситуация сложилась к середине пятидесятых годов, когда впервые серьезно встал вопрос об использовании для обработки материалов жидкостей и газов высокого, а по тогдашним понятиям - сверхвысокого давления. О чем шла тогда речь?
Исследования по изучению влияния высоких давлений на вещество показали, что под давлением меняются свойства не только газов и жидкостей, о чем было известно уже давно, но, и свойства твердых тел. Огромная заслуга в этом принадлежала известному американскому физику П. Бриджмену (удостоенному за свои классические работы Нобелевской премии), и советскому ученому академику Л. Верещагину. На базе этих результатов у нас в стране и начала развиваться идея использования жидкости высокого давления для совершенствования методов обработки наиболее важных для современной техники материалов.
Из экспериментов П. Бриджмена следовало, что под всесторонним давлением пластичность - способность тела под действием приложенных к нему сил изменять свою форму не разрушаясь - у всех веществ существенно повышается. Но ведь это та самая заветная для технологов возможность резко «улучшить» материал.
Пластическая деформация - ковка, штамповка, прокатка, волочение - с давних времен использовалась в технике не только для придания металлу нужной формы, но, и для улучшения его свойств. Беда заключалась лишь в том, что многие материалы, крайне необходимые современной технике, в обычных условиях очень хрупки. Их нельзя ни ковать, ни штамповать, ни гнуть. При малейшей попытке деформировать их они, как правило, разрушаются. Это относится к вольфраму и многим его сплавам, к бериллию, хрому, сверхпроводникам, к ряду магнитных сплавов, полупроводникам, интерметаллидам и многим другим материалам.
Если бы удалось, использовав высокое всестороннее давление, перевести такие металлические сплавы из хрупкого состояния в пластичное, а потом в этом состоянии деформировать, то в наших руках оказалось бы могущественное технологическое средство воздействия на свойства материалов. В этом и заключалась идея советских ученых.
Нередко мы опасаемся или стесняемся назвать вещи своими именами. В данном случае мне не хотелось бы идти по этому пути. Идея, о которой идет речь, безусловно, относилась к категории дерзких. Ведь для ее осуществления нужно было совершить коренной перелом не только в технике, но, и - что бывает гораздо сложнее - в сознании, в психологии людей техники. Судите сами.
В те годы в цехах металлургических заводов использовались давления до 320 атмосфер, в исключительных случаях - до 1 тысячи атмосфер. Для реализации же новой идеи необходимо было освоить давления по крайней мере до 20 тысяч атмосфер.
Давление в 200 - 320 атмосфер по правилам техники безопасности вполне обоснованно считалось и считается опасным. В новых условиях требовалось работать с давлениями в 80 - 100 раз более высокими и непропорционально более «неприятными»
Пока мы говорили только о машинах. Однако не менее серьезные соображения относились, и к технологии. Собственно говоря, даже и самой технологии-то в те дни просто не было. Больше того, не было даже того, что называют теперь научными основами технологии. Была идея, если хотите, в чистом, первозданном виде. Идея весьма заманчивая, многообещающая, но многого требующая для своей реализации.
Мне очень приятно сегодня отметить, что нашлись коллективы ученых, которые пошли на тот риск, о котором шла речь. При этом очень плодотворно объединились усилия ученых Академии наук и ряда отраслевых институтов, конструкторских бюро и заводов.
НЕУДАЧА - ЕЩЕ НЕ ПОРАЖЕНИЕ
Строго говоря, уже сам П. Бриджмен, не формулируя четко этой идеи, тем не менее вплотную подошел к ее реализации. Он помещал цилиндрическую заготовку в толстостенный контейнер, в донышке которого имелось отверстие. Поэтому, когда в контейнер под высоким давлением накачивалась жидкость, появлялась сила, стремившаяся протолкнуть заготовку через отверстие. Действительно, при определенном давлении заготовка начинала выдавливаться из контейнера. Беда заключалась лишь в том, что при этом она разрушалась, рассыпалась на куски. Опыты П. Бриджмена окончились полной неудачей. И, надо сказать, это надолго отбило у ученых желание продолжать работы в таком направлении. (Уж если «сам». Бриджмен с его филигранным экспериментаторским мастерством потерпел неудачу, стало быть, не стоит и нам тратить силы и время.)
Тем не менее в начале пятидесятых годов в Институте физики высоких давлений Академии наук СССР, и в Институте физики металлов Академии наук СССР, во Всесоюзном научно-исследовательском институте металлургического машиностроения (ВНИИМЕТМАШ), а затем и в Донецком физико-техническом институте Академии наук УССР, и других институтах начались широкие и систематические исследования в совершенно новом технологическом направлении.
Задача формулировалась примерно так - всестороннее и равномерное (гидростатическое) давление, бесспорно, повышает пластичность всех материалов;
- это явление должно быть положено в основу создания новой технологии, в чем-то аналогичной традиционным методам пластического деформирования, но сочетающей их достоинства с «облагораживающим» влиянием высоких гидростатических давлений;
- неудача П. Бриджмена ничего не доказывает, кроме того, что задача достаточно сложна.
Мне кажется, что неудачи П. Бриджмена, которые привели его к выводу о бесперспективности дальнейших работ по выдавливанию металлов жидкостью (теперь этот процесс называют гидропрессованием, или гидроэкструзией), связаны в основном с тем, что рядом с ним тогда не оказалось талантливых технологов и конструкторов.
В Советском Союзе очень быстро сложилось тесное сотрудничество физиков и технологов, конструкторов и гидравликов, математиков и металловедов. Именно это позволило в кратчайшие сроки развернуть широкий комплекс всесторонних исследований.
Чтобы решить задачу, о которой только, что шла речь, необходимо было прежде всего продолжить, значительно углубив и расширив, исследования П. Бриджмена по изучению влияния высоких гидростатических давлений на свойства материалов. Нужно было разработать новые конструкции машин, которые позволили бы надежно и безопасно использовать давления, которые еще вчера казались если не фантастическими, то уж по крайней мере маловероятными. Наконец, следовало создать совершенно новую технологию, изучить ее влияние на свойства получаемых изделий и найти наиболее рациональные режимы.
Весь этот комплекс должен был завершиться созданием гаммы принципиально новых машин и освоением их в производственных условиях.
Здесь уместно одно небольшое отступление.
Меня часто спрашивают, где проходит граница между технологией и машиной. Честно говоря, я никогда этого не знал и, в общем, считал это второстепенным вопросом. В последние же годы я все больше убеждаюсь в том, что в такой плоскости просто нельзя ставить вопрос. Новые идеи рождают одновременно и технологию, и машины. Только в такой совокупности эти идеи могут быть и сформулированы, и реализованы. И только в комплексном подходе - гарантия успеха. Может быть, наиболее яркое тому подтверждение - технология высоких параметров, о которой идет речь.
Думаю, не стоит в этой статье шаг за шагом воспроизводить этапы увлекательных, во многом поучительных, а порой и драматических исследований, которые были проведены за последние десять - пятнадцать лет по созданию новой технологии, новых машин для нее. Тех, кто ими заинтересуется, я отсылаю к содержательной статье академика Л. Верещагина, академика С. Вонсовского и профессора Б. Розанова, напечатанной в журнале «Наука и жизнь» № 4, 1972 год. Я же начну прямо с того, чем они закончили тогда свою статью.
НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
Обычное прессование давно уже стало важнейшим способом получения высококачественных труб и прутков самой сложной формы из алюминиевых сплавов, меди, титана, сталей и других металлов, и сплавов. При прессовании заготовка помещается в контейнер, один из торцов которого закрывается матрицей с отверстием в форме будущего изделия. С другого торца в контейнер вдвигается пуансон. Под давлением пуансона металл заготовки начинает выдавливаться через матрицу, приобретая заданную ее отверстием форму. (Легко видеть, что от этого процесса и отталкивался П. Бриджмен в своих опытах.)
К сожалению, при всех своих достоинствах классический процесс прессования не позволяет обрабатывать хрупкие, труднодеформируемые материалы. И вот почему. Хотя при прессовании металл заготовки и сжимается пуансоном, тем не менее из-за трения о стенки контейнера, и о матрицу в металле возникают растягивающие напряжения. Для хрупких материалов это недопустимо они неизбежно разрушаются.
Я уже упоминал, что П. Бриджмену не удалось осуществить процесс гидропрессования - выдавливания металлов жидкостью высокого давления. С этой задачей успешно справились советские ученые.
При гидропрессовании заготовка устанавливается в контейнере с зазором; свободное пространство заполняется жидкостью (это может быть минеральное масло, смесь глицерина с этиленгликолем, какая-либо кремнийорганическая жидкость и даже вода). Когда давление жидкости повышается (сделать это можно разными способами - с помощью компрессора, мультипликатора или просто сжатием жидкости прямо в контейнере), заготовка, как и в опытах П. Бриджмена, начинает выдавливаться через матрицу. Теоретический анализ и многочисленные эксперименты позволили найти условия, при которых изделие не только не разрушается, а выходит из матрицы с великолепной, словно полированной поверхностью.
При гидропрессовании заготовка не касается стенок контейнера. Даже от матрицы она отделена тончайшим слоем жидкости. Поэтому в металле не возникает растягивающих напряжений. В совокупности с «облагораживающим» влиянием высокого гидростатического давления все это и позволяет успешно обрабатывать самые хрупкие, самые труднодеформируемые материалы - молибден, вольфрам, высокопрочные никелевые сплавы, быстрорежущие стали, бериллий, хром и многие, многие другие.
Только для того, чтобы проиллюстрировать возможности нового метода, упомяну, что холодным гидропрессованием можно получить из вольфрама и молибдена, например, трубки со стенкой толщиной всего в несколько десятых долей миллиметра, а из никеля - трубки диаметром в один миллиметр со стенкой толщиной 0,05 миллиметра. Конечно, методами традиционного прессования ничего подобного сделать невозможно.
Исключительно важно и то, что после гидропрессования свойства металла оказываются в ряде случаев неизмеримо выше, чем после обработки по обычной технологии. Например, Б. Береснев в Институте физики металлов АН СССР показал, что прочность молибдена после гидропрессования повышается в 2 - 3 раза, пластичность - в 5 - 6 раз, а ударная вязкость - даже в 10 - 20 раз.
Не менее интересен процесс штамповки под всесторонним гидростатическим давлением. В этом случае величину деформации за один переход можно увеличить для молибдена - в 2 раза, для магния - в 3 раза, для жаропрочных сплавов - в 4, а то, и в 5 раз. Даже из такого не поддающегося штамповке материала, как чугун, можно получать в этих условиях детали сложной формы.
После того, что было сказано о влиянии высоких давлений, не кажется удивительным и тот факт, что штамповка под гидростатическим давлением повышает пределы текучести и прочности ряда сплавов на 15 - 20 килограммов на квадратный миллиметр. Это очень много и позволяет, например, в авиации снизить вес некоторых деталей на 20 - 25 процентов.
И, наконец, несколько слов о волочении. Это процесс, где, казалось бы, все возможности раньше использовались полностью. Однако и здесь высокие гидростатические давления позволяют в 1,5 - 2 раза повысить производительность процесса и одновременно заметно улучшить свойства получаемых изделий.
Еще несколько лет назад на базе всех этих результатов началось внедрение новой технологии и новых машин в производство. Но, как часто случается, этот уже, казалось бы, завершающий этап работы неожиданно привел к дальнейшему бурному прогрессу в исследованиях.
Впрочем, это и естественно. Ведь жизнь требует, как можно более полной, более эффективной реализации всех возможностей нового. А отсюда - внимание к таким тонким вопросам, которые на первых порах, естественно, ускользали от внимания исследователей. Любопытно, что за два года, прошедших с момента опубликования статьи, которую я упоминал, это коснулось не только прикладных вопросов, но, и самых фундаментальных. Расскажу только о трех из них один связан с теорией, другой касается технологии, а третий относится к проблемам создания машин.
В ПОИСКАХ ЗОЛОТОЙ СЕРЕДИНЫ
Уже на самых первых этапах изучения влияния высоких давлений на свойства материалов советские ученые пришли к довольно смелому и вовсе не очевидному тогда решению, что следует не только критически пересмотреть некоторые результаты работ П. Бриджмена, но в чем-то, и отказаться от его выводов.
П. Бриджмен считал, например, что чем выше давление, которое прикладывают к материалу, тем податливее, пластичнее он становится, то есть пластичность прямо пропорциональна давлению. Другими словами, он полагал, что она линейно зависит от давления.
К сожалению, дело обстоит совсем не так просто. Прежде всего выяснилось, что для многих материалов давления до 2 - 5 тысяч атмосфер вообще не влияют на пластичность. Материал словно бы и не чувствует никакого давления. Рост пластичности начинается лишь при более высоких давлениях. И тогда даже наиболее хрупкие материалы, материалы, причиняющие технологам при традиционных методах обработки серьезные неприятности, становятся неузнаваемыми. Литой молибден или вольфрам, например, при стандартных испытаниях разрушаются абсолютно хрупко. После разрыва образец кажется разрезанным острым ножом - никаких следов пластической деформации. А под давлением и молибден и вольфрам словно уподобляются мягкой стали или меди. Перед разрушением они сильно деформируются, на образце появляется шейка; при разрыве она вытягивается практически в нить. Такому мягкому разрушению может «позавидовать» большинство материалов, которые технологи считают очень пластичными.
В этой области давлений представления П. Бриджмена оказываются справедливыми пластичность становится пропорциональной давлению. Однако так продолжается недолго. При достаточно высоких давлениях (например, для молибдена это около 15 тысяч атмосфер) рост пластичности вдруг замедляется, а в ряде случаев и совсем прекращается (для бериллия - после 18 тысяч атмосфер).
На первый взгляд все это, казалось бы, представляет только академический интерес. Однако дело обстоит, как раз наоборот. Экспериментальный и теоретический анализ изменения пластичности позволяет ответить на наиболее принципиальный вопрос при, каком же гидростатическом давлении следует вести обработку?
Если давление мало, машина оказывается проще, но невелик эффект. Давление велико - машина гораздо сложнее, но, и эффект больше. Нужно найти золотую середину. Вот здесь-то наиболее интересные результаты удалось получить буквально за последние год-два.
Тут мне придется сделать небольшой экс курс в прошлое. До последнего времени эти вопросы изучали в основном классическими методами теории прочности и теории пластичности. Писали уравнения равновесия, уравнения, связывающие напряжения и деформации, использовали те или иные критерии разрушения. И путем анализа этих зависимостей пытались предсказать, как же поведет себя материал под высоким давлением.
Но ничего утешительного из этого не получалось. Результаты экспериментов принципиально расходились с теорией. Становилось все более очевидным, что для успеха нужен, какой-то иной, принципиально новый подход. Его удалось найти академику Академии наук УССР А. Галкину и сотруднику нашего института Л. Максимову.
Оказалось, что решение лежит на стыке теорий прочности и пластичности с термодинамикой и математической теорией дислокаций. А. Галкин предложил рассмотреть вопрос об изменении пластичности под давлением не с традиционных позиций, а исходя из самых общих термодинамических соображений, согласно которым любое тело должно сопротивляться любым приложенным к нему внешним силам (принцип Ле-Шателье - Брауна).
По современным представлениям, в структуре любого кристаллического тела имеются дефекты - микротрещины, микропоры, всевозможные несовершенства кристаллической решетки, так называемые дислокации. Именно эти дефекты, несовершенства и ответственны за хрупкость материала. Только в случае, когда количество дефектов меньше некоторой минимальной для данного материала величины, он становится пластичным. Очевидно, что объем металла с дефектами больше, чем объем «идеального» металла. Давление, конечно, стремится уменьшить объем тела. Естественно, при этом уменьшается и объем дефектов, а часть из них вообще исчезает. Таким образом, по мере роста давления вещество, как бы готовится стать пластичным, оставаясь тем не менее до известного предела хрупким. Но при некотором давлении оно в конце концов переходит в пластическое состояние. И теперь, казалось бы, дальнейшее увеличение давления должно только улучшать ситуацию.
Однако дело обстоит гораздо сложнее. Л. Максимов теоретически показал, что и после перехода в пластическое состояние металл в некотором диапазоне давлений может потерять способность к пластическому формоизменению. Эта способность восстанавливается лишь при весьма высоких давлениях. Таким образом, область «невыгодных» давлений в ряде случаев оказывается очень широкой.
Для вольфрама, например, использование давлений ниже 12 тысяч атмосфер бесполезно; у молибдена область «невыгодных» давлений лежит ниже 8 тысяч атмосфер, а для некоторых жаропрочных никелевых сплавов она распространяется вплоть до 15 тысяч атмосфер.
Ясно, что такие зависимости обязательно должны учитываться и при разработке технологии и при проектировании новых машин.
ШАГ В СТОРОНУ
Я собирался остановиться на трех вопросах. Итак, вопрос второй - технологический.
Процессы гидропрессования, как мы видели, позволяют резко улучшить свойства изделия по сравнению с исходной заготовкой. Совершенно естественно напрашивается вопрос, а не могут ли новые методы воздействия на материал обеспечить повышение свойств и самой заготовки; тогда есть основания ожидать, что свойства изделия из такой заготовки будут еще выше.
Технологи давно знают, что уже на стадии кристаллизации металла в нем появляются серьезные пороки. Состав металла в разных участках слитков сильно отличается от среднего, которого следовало бы ожидать, исходя из пропорций шихты, - происходит так называемая ликвация. К каким только ухищрениям не прибегают литейщики, чтобы свести ее к минимуму и непрерывная разливка и искусственное управление режимом охлаждения слитка и направленная кристаллизация и многое другое. Но кардинальных методов борьбы с ликвацией до последнего времени найти не удавалось. До последнего времени, но не до нынешнего дня.
Представьте себе, что, выплавив, скажем, сталь нужного состава, вы не разливаете ее в многотонную изложницу, а начинаете лить тонкой струей. На эту струю направляется мощный поток нейтрального газа, который разбивает ее на мельчайшие капельки. Диаметр их может достигать тысячных долей миллиметра. Естественно, такая капелька охлаждается и кристаллизуется за ничтожные доли секунды. Поэтому процессы ликвации не успевают произойти. Мы получаем материал с идеальной равномерной структурой, с лучшими из возможных свойств. Правда, это еще не совсем то, что требуется.
Тончайший порошок следует, каким-то. образом превратить в монолит. Сделать это можно по-разному. Но наилучшие результаты дает опять-таки использование высоких давлений. Для этого порошок предварительно уплотняется в гидростате с помощью жидкости, действующей на него под давлением до 5 - 10 тысяч атмосфер (схема этого процесса показана на цветной вкладке). Затем в газостате, где на порошок одновременно действует газ под давлением до 2 - 3 тысяч атмосфер и высокая температура (схема этого процесса также показана на цветной вкладке), он превращается в монолитный материал.
Такое спрессовывание в две стадии вынужденно при тех давлениях, которые сегодня можно реализовать, не удается идеально уплотнить порошок, не прибегая к высоким температурам. А при температурах в 1000°, и выше, естественно, нельзя использовать жидкости. В таких условиях для передачи давления на заготовку приходится применять газ.
После газостатического спрессовывания у металла оказываются такие свойства, получение которых всего два-три года назад лежало далеко за пределами наших возможностей. Вот только один пример. Резцы, сверла, развертки и другие инструменты, изготовленные новым методом из стандартной быстрорежущей стали, служат в 2 - 3, а то, и в 6 раз дольше, чем те, которые изготовлены по традиционной технологии.
Правда, у этого процесса есть серьезный недостаток. Газостаты - машины достаточно сложные и дорогие. И время рабочего цикла измеряется часами.
Значительно привлекательнее процесс горячего гидропрессования порошков, разработанный в Донецком физико-техническом институте АН УССР под руководством А. Галкина. Порошок, полученный распылением, засыпается в стальную ампулу и нагревается до температуры спекания. Такая нагретая заготовка подвергается гидропрессованию. При этом частицы порошка сдавливаются с огромной силой - ведь давление в очаге деформации достигает 15 - 20 тысяч атмосфер. Этого оказывается достаточно, чтобы порошок в доли секунды превратился в монолит. По свойствам такой материал почти не уступает металлу, полученному в газостате.
Хотелось бы только предостеречь от напрашивающегося вывода, что использовать газ - это плохо. В Институте физики высоких давлений АН СССР под руководством академика Л. Верещагина и Ю. Коняева разработан, например, не имеющий пока конкуренции метод выдавливания металлов газом высокого давления - газовая экструзия. Этот метод обладает всеми достоинствами гидропрессования (гидроэкструзии), и в то же время позволяет вести процесс при температурах до 1000°. Это дает возможность очень легко и эффективно осуществлять термомеханическую обработку. Поэтому после газовой экструзии материал может сочетать высокую прочность и очень высокую пластичность.
Инженеры хорошо знают, например, что у образцов небольших размеров из высоколегированной стали прочность может достигать 200 - 220 килограммов на квадратный миллиметр, но материал при этом будет очень хрупким (его удлинение не выше 4 - 5 процентов, а поперечное сужение - 20 процентов). После же газовой экструзии в сочетании с термомеханической обработкой можно получить предел прочности 250 - 260 килограммов на квадратный миллиметр и удлинение при этом будет достигать 13 - 14, а поперечное сужение 50 - 55 процентов.
Другими словами, мы получаем материал, который по прочности далеко превосходит лучшие конструкционные сплавы, а по пластичности соответствует наиболее широко используемым в технике сталям. Такое сочетание свойств значительно расширяет возможности при проектировании тяжело-нагруженных узлов современной техники.
ВЧЕРА ОНИ КАЗАЛИСЬ НЕВОЗМОЖНЫМИ
Представления о возможном и невозможном в наши дни меняются довольно быстро. И тем не менее еще совсем недавно (лет десять - пятнадцать назад) очень мало кто верил в то, что удастся создать крупные машины, в которых для обработки материалов будет использоваться жидкость под давлением до 20 тысяч атмосфер.
Сейчас такие машины уже работают на заводах. Создание их - одно из выдающихся достижений нашего машиностроения. Даже сам диапазон изменения параметров - 1 тысяча атмосфер лет десять назад, и 20 тысяч сегодня - многое говорит о тех трудностях, которые пришлось преодолеть конструкторам, разрабатывая новое оборудование.
Я остановлюсь только на одной, наиболее принципиальной - проблеме прочности узлов высокого давления у создаваемых машин.
Вряд ли стоит доказывать, что в данной ситуации эта проблема была проблемой № 1. Не говоря уже о том, что от успеха ее решения зависела безопасность работы на машине, без такого успеха вообще нельзя было реализовать новые идеи.
Положение оказалось очень трудным «по условию» надо было создать конструкцию, нагрузка на которую превышает прочность лучших из известных материалов.
Исходя из обычных норм расчета и конструирования машин, следовало бы признать, что поставленная задача решения не имеет. Но спасение состояло в том, что обычными нормами в данном случае нельзя пользоваться. Если в серьезном разговоре не бояться некоторых литературных ассоциаций, можно сказать, что положение здесь спасает метод барона Мюнхаузена.
Тот самый метод, с помощью которого барон сам себя вытащил за волосы из болота.
Когда речь шла о влиянии давления на свойства материалов, основное внимание уделялось изменению их пластичности. В действительности под давлением растет не только пластичность, но и прочность. Правда, она изменяется не так интенсивно.
Повышение прочности материала в процессе его обработки - явный минус. Но в данном случае это выгодно. Ведь давление, действуя на материал основного узла машины - контейнера, тем самым повышает его несущую способность. Причем это повышение прочности является решающим. Не будь его, очень трудно было бы найти подходящий материал для изготовления контейнера.
Сложность решения проблемы прочности контейнера еще и в том, что упрочняющее влияние давления распространяется на сравнительно небольшую глубину, а стенка его должна быть достаточно толстой. Но и эту трудность удалось успешно преодолеть.
Во ВНИИМЕТМАШе под руководством доктора технических наук Б. Розанова разработано принципиально новое конструктивное решение, по-видимому, одно из важнейших для современной техники высоких давлений. Теперь контейнеры изготавливают не из массивных колец, насаживаемых друг на друга с натягами, а с использованием тонкой высокопрочной ленты.
Представьте себе тонкостенную втулку. На нее с очень большим натяжением, меняя его от слоя к слою, наматывают тонкую высокопрочную ленту. Ее прочность всегда много выше прочности крупных поковок из той же марки стали. Например, предел прочности в 250 - 300 килограммов на квадратный миллиметр для ленты вовсе не рекордная цифра, а на крупной поковке, и 120 - 130 получить трудно. Таким образом, только за счет ленты удается в полтора, а то и в два раза поднять рабочее давление. Но, и это не все. Используя ленту, можно наматывать такие контейнеры, которые вообще немыслимо изготовить традиционным путем. Достаточно сказать, что сейчас у нас в институте изготавливается контейнер с внутренним диаметром 500 миллиметров и длиной почти 4 метра! Этот грандиозный «сосуд» будет работать с давлениями до 6 тысяч атмосфер. До сих пор мировая техника еще не знала подобных сооружений.
Наконец, еще одно важное обстоятельство. Намотанные конструкции совершенно безопасны. Их внутренняя втулка работает практически только на сжатие, а десятки тысяч витков ленты, конечно же, никогда не могут разрушиться одновременно.
Идея скрепления обмоткой используется часто и для создания станин машин, предназначенных для обработки материалов с использованием жидкости высокого давления. Благодаря этому машина в целом оказывается исключительно компактной (схемы трех таких машин показаны на цветной вкладке).
Как бы хорош ни был технологический процесс, он ничего не даст реально полезного, пока не будут созданы машины для его осуществления. И они уже созданы в нашей стране (или вступят в строй в ближайшие год-два). Эти машины развивают усилие до 12 тысяч тонн, работают с давлениями до 20 тысяч атмосфер, позволяют получать изделия из труднодеформируемых материалов диаметром до 0,5 метра и длиной до 3 метров. Многие из них не имеют себе равных в зарубежной практике.
Это еще раз свидетельствует о том большом успехе, которого добились наши ученые и инженеры на очень важном направлении научно-технического прогресса.
ЛИТЕРАТУРА
Береснев Б. И. и др. Пластичность и прочность твердых тел при высоких давлениях. М.. 1970.
Бриджмен П. Исследование больших пластических деформаций и разрыва. М„ 1955.
Верещагин Л. Ф.. Воисовский С. В., Розанов Б. В. На грани возможного. «Наука и жизнь» № 4. 1972.
Огибалов П. М.. Кийко И А. Очерки по механике высоких параметров. А!.. 1906.
Прозоров Л. В., и др. Прессование металлов жидкостью высокого давления. М, 1972.
Розанов Б. В.. Максимов Л. Ю. Технология и оборудование для гидростатического прессования. М.. 1971.
Сборник (перевод с англ.). Механические свойства материалов под высоким давлением. М„ 1973.
(Рис. 13)
Схематическое изображение основных машин нового технологического процесса производства высококачественных изделий получение металлического порошка распылением и последующая его обработка в гидростате, газостате и на гидростатическом прессе.
На схемах 1 - плавильная печь; 2 - металлоприемник; 3 - распыливающая форсунка; 4 - перископ для наблюдения за процессом распыления; 5 - корпус;
6 - отвод газа; 7 - охладительный конус; 8 - конус для отвода порошка; 9 - приемник порошка; 10 - подвод жидкости высокого давления; 11 - силовая станина, скрепленная обмоткой (высокопрочной лентой);
12 - встроенный мультипликатор; 13 - скрепляющая обмотка; 14 - плунжер мультипликатора; 15 - контейнер; 16 - заготовка для гидростатического спрессовывания; 17 - рабочая жидкость; 18 - -подвод газа высокого давления; Л9 - подвод электропитания к высокотемпературной печи; 20 - нагреватель печи; 21 - теплоизоляция; 22 - заготовка для газостатического спрессовывания; 23 - заготовка для гидростатического прессования; 24 - матрица; 25 - готовое изделие.
Читайте в любое время
