Металлы и человек - Михаил Васильев

Ныне разгадан древний секрет причудливого булатного узора.

Существует закалка ступенчатая, когда температуру металла быстро снижают до 300–400 градусов, а затем охлаждают медленно. Существует закалка прерывистая, закалка в двух охладителях. Существует закалка до температур, лежащих далеко ниже нуля градусов. Ну, конечно, не какими-то «закалочными» свойствами, в которые верили древние и средневековые кузнецы, объясняется выбор сред для закалки, а их способностью быстрее или медленнее отнимать у металла тепло, обеспечивая более благоприятный именно для этой марки стали режим охлаждения. А закалка при температурах ниже нуля, закалка холодом, производится для тех сталей, у которых превращение аустенита в мартенсит не идет до конца при обычных, комнатных температурах.

Закалке можно подвергать не только стали. Сплавы цветных металлов также изменяют свои свойства в зависимости от той или иной термической обработки.

Древние знали только закалку сталей и сплавов олова и меди — бронз. В начале века знаменитый русский металлург А. А. Байков открыл закалку сплава меди с сурьмой. Затем установили свойство принимать закалку у некоторых сплавов алюминия, магния, меди, свинца, платины, никеля, золота и других цветных металлов.

Закалка возможна в тех случаях, когда сплав претерпевает при повышении температуры какие-то внутренние структурные изменения. Закалка позволяет структурные состояния, обычные при высокой температуре, привести в область низких температур. И, конечно, далеко не всегда это приводит к тем же изменениям свойств сплава, что и при закалке стали. Сплав золота и меди ведет себя, например, совсем не так, как железа с углеродом. При быстром охлаждении золото-медного сплава он приобретает мягкость и пластичность. Наоборот, медленный отжиг сообщает ему твердость и хрупкость. Диаграммы состояний, составленные для многих сплавов, позволяют заранее предвидеть, может ли изменить свойства этого сплава та или иная термообработка.

Сегодня ученые уже глубоко заглянули в сокровенные тайны металла. Уже во многом раскрыл свои секреты «таинственный закал», наследие «бранного Востока».

Мартенситная броня

Очень часто бывает, что от металла требуется поистине невозможное, например сочетание пластичности с большой поверхностной твердостью. Казалось бы, нет средств, позволяющих металлу быть одновременно и закаленным и незакаленным. И все-таки технологи нашли способ делать и такой металл.

…В патрон станка своеобразной конструкции молодая работница вставляет сверкающую неокисленной поверхностью, только что прошедшую шлифование деталь. Словно в медной клетке оказывается эта деталь, ее окружает спирально согнутая трубка. Работница нажимает зеленую кнопку включения, что-то лудит в станке. И вдруг ступенчатый валик становится вишнево-красным, ярко-красным, начинает светиться желтым цветом. От него пышет жаром.

Какая сила нагрела валик? Кругом не видно пламени, к нему не касаются раскаленные детали станка. Как передали ему энергию, необходимую для нагрева?

С помощью токов высокой частоты. Тех же самых токов высокой частоты, которые работают в радиоприемниках и радиопередатчиках. Их излучателем, антенной, является как раз та медная спираль, внутри которой оказалась наша деталь. В ее теле возникли паразитические замкнутые токи, которые и вызвали этот быстрый нагрев.

И вдруг на раскаленную деталь обрушивается стремительный дождь. Струйки воды вырываются из отверстий медной спирали, которая оказалась обыкновенной трубкой. На мгновение и деталь и спираль окутывает облачко пара. А еще через мгновение работница снимает со станка деталь. Она еще теплая. Но поверхность у нее все такая же чистая и блестящая, как перед закалкой. Нагрев был столь непродолжительным, что она просто не успела окислиться-ведь вся операция длилась 5–6 секунд.

Закаливает электричество.

Испытание свойств прошедшей такую термообработку детали показывает, что верхняя ее поверхность на глубину в несколько миллиметров приобрела твердую закаленную структуру — чаще всего мартенсит, — а сердцевина осталась мягкой. Именно то, о чем мечтают конструкторы.

И еще одним важным достоинством обладает новый метод закалки— он чрезвычайно производительный. Четыре часа раньше затрачивалось на обработку тракторного вала. Теперь за это время обрабатывается несколько сотен валов. А насколько легче стал труд людей после перехода на этот технологический процесс!

Таковы достоинства поверхностной закалки металлических деталей с помощью токов высокой частоты — один из прогрессивнейших, производительнейших методов термообработки, все чаще применяемый в нашем машиностроении. Закалка — не единственный вид термообработки, применяемый в настоящее время. На заводах, ведущих металлообработку, вам обязательно встретятся отжиг, отпуск, нормализация.

Отжиг… Нередко бывает, что ту или иную деталь машины, уже сделанную и закаленную, надо снова подвергнуть механической обработке. Токарь вставляет ее в станок, включает ток, подводит резец и… отдает мастеру. Закаленную сталь резец не берет, он скользит по ней, как иголка по стеклу. Сталь надо отжечь. Ее нагревают до определенной температуры, а затем медленно — чаще всего вместе с печью — охлаждают. И тогда токарь свободно снимает стружку с совсем недавно словно заколдованной детали.

Отжиг преследует разные цели. Разными бывают температуры, до которых нагревают металл, и способы охлаждения его. Если охлаждение металла, нагретого до температуры отжига, производится на воздухе, процесс называется нормализацией.

Однажды инженеры крупного завода, выпускавшего паровые машины, были поражены удивительным событием. С месяц назад в литейном цехе отлили из чугуна огромный маховик. Отливка удалась на славу. От него отбили литники, очистили пригоревшую землю. Во дворе он ожидал, когда его поставят на предназначенное ему в машине почетное место. И вдруг… Ночью заводской сторож слышал какой-то треск, словно во дворе стреляли из пистолета. Однако злоумышленников ему обнаружить не удалось, все было спокойно. А наутро инженеры обнаружили, что маховик порвало. Спицы, толстые, в руку взрослого мужчины чугунные спицы, были оборваны. Восьмиугольной звездой лежит втулка, выпавшая из обода. Что за таинственная могучая сила порвала металл? — не могли понять инженеры.

Это сделали внутренние напряжения. Они часто разрушают отливки, казалось бы, несокрушимо прочные, массивные, удачные. Они могут ослабить, исказить форму, разрушить прошедшее закалку изделие. Поэтому для того, чтобы снять внутренние напряжения и снизить хрупкость, прошедшие закалку изделия подвергают отпуску. Их нагревают до температуры, несколько меньшей, чем та, при которой нормально начинается перекристаллизация, выдерживают при этой температуре, а затем медленно охлаждают.

Мартенситная структура, свойственная закаленной стали, очень неустойчива. Уже при нагревании до 100–130 градусов мартенсит начинает распадаться. Чем выше нагрев, тем быстрее происходит этот распад. Образующиеся при этом структуры мягче мартенсита. Режим отпуска выбирается таким, чтобы обеспечить нужные свойства стали.

Тепло открывает светофор

По серой, поблескивающей после дождя ленте шоссе стремительно летит автомашина. Несколько тысяч километров прошла она, лишь изредка останавливаясь ненадолго для отдыха водителя — и заправки горючим. Но ровно гудит ее мотор, вся она готова к новому прыжку на новые тысячи километров.

А попробовали ли вы представить себе, какую чудовищную неутомимость имеют детали ее мотора, прошедшего тысячекилометровый пробег?

Ведь за это время коленчатый вал двигателя сделал более двух с половиной миллионов оборотов! Каждые 60 секунд он делал 3600 оборотов, испытывал более 7 тысяч ударов от взрыва рабочей смеси, толкающей поршень!

Многие детали машины за это время выполнили еще большее количество рабочих операций. Так, поршни сделали более пяти миллионов ходов, более пяти миллионов раз изменили направление движения. Почти полтора миллиона раз открылся и закрылся каждый из клапанов цилиндра.

Полтора миллиона ударов металла о металл!

А ведь автомобиль пробегает до ремонта не тысячу километров, а в сотни раз больше. В умелых руках хорошего водителя он проходит и 400, и 500 тысяч километров без смены мотора. Уже за миллиард зайдет счет оборотов, сделанных за это время его коленчатым валом!

Из какого же сверхпрочного металла он сделан, что его шейки не перетираются насквозь за это время, что тело не разрушается от бесчисленных толчков и ударов? Ведь они обрушиваются на него, несмотря на все инженерные ухищрения, направленные к тому, чтобы облегчить его работу и продлить жизнь.