Загадка булатного узора - Юрий Гуревич

Повышение производительности труда при применении твердых сплавов во многих отраслях техники обеспечивает высокую эффективность работы дорогостоящего и дефицитного вольфрама. Так, например, по данным советского ученого В. И. Третьякова, инструментом из твердого сплава, имеющего в своем составе 1 кг вольфрама, можно обработать в 5 раз больше металла, чем инструментом из быстрорежущей стали с тем же количеством вольфрама.

В последнее время получают распространение твердые сплавы на основе карбида титана с никель-молибденовой связкой. Сравнительно дешевый и недефицитный карбид титана в ряде операций обеспечивает достаточно высокую стойкость режущему инструменту.

Несмотря на эти достижения, поиск путей повышения износостойкости режущего инструмента продолжается. Одним из новых и важных источников решения этой проблемы является технология нанесения нитридных и карбидных износостойких покрытий на режущий инструмент, в том числе твердосплавный.

Харьковские инженеры-изобретатели А. Романов, Л. Саблев и А. Андреев разработали метод нанесения таких покрытий потоками высокотемпературной плазмы. Износостойкость обработанного в вакуумной камере потоками плазмы режущего инструмента в 3–6 раз больше, чем у обычного. Повышение стойкости объясняется образованием тонкой, но очень прочной пленки из нитрида или карбида титана на режущей кромке инструмента. Для реализации прогрессивной технологии в промышленных условиях создана специальная установка. И не случайно эта установка известна под названием «Булат»…

«Булат» получит широкое применение в одиннадцатой пятилетке. В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981–1985 годы и на период до 1990 года» указано: «Организовать производство в широких масштабах новых видов инструмента, в том числе с применением износостойких покрытий…» Структура, обеспечивающая сотни лет назад высокие режущие свойства булата, повторилась в современных твердых сплавах и износостойких покрытиях.

И все-таки полностью твердые сплавы заменить алмаз не могут. Только алмазные волоки способны длительное время противостоять разрушающему действию движущейся металлической проволоки. Стойкость алмазных волок в тысячи раз больше стальных, и они практически незаменимы при волочении тонких проволок из высокопрочных сплавов, особенно в тех случаях, когда требуется точная окружность, постоянство диаметра сечения и гладкая поверхность. Нити парашютной ткани протягиваются только с помощью алмазных волок. Они обеспечивают нити необходимую гладкость, которая гарантирует своевременное и быстрое раскрытие парашюта.

Примечательно, что первый цех алмазного инструмента в нашей стране был создан в конце прошлого века Константином Сергеевичем Алексеевым (Станиславским), которого мы знаем как выдающегося режиссера и основоположника системы воспитания актера. На московской фабрике «волоченого и плащеного золота и серебра», где начиналась его трудовая жизнь, выпускали тончайшую проволоку, канитель (тонкую витую проволоку), серебряные и золотые изделия из них. В производстве применялись чугунные волоки, с помощью которых процесс вытяжки тонкой проволоки был очень длителен («канительным» — как теперь говорят). Применение алмазного инструмента затруднялось в связи с тем, что вплоть до конца XIX века производство волок из драгоценных камней было монополией западных фабрикантов, в основном французских и итальянских. К. С. Станиславский едет за границу, знакомится с производством алмазного инструмента и по возвращении в Москву организует цех по изготовлению алмазных волок. На состоявшейся в 1900 году Всемирной промышленной выставке в Париже продукция золото-канительной фабрики получила высшие награды, а Константин Сергеевич был награжден медалью с дипломом выставки.

Как же обрабатывают алмаз, если он самый твердый из известных материалов? Долгое время алмазы служили только для украшений, но обрабатывать их не умели, и изделия из них выглядели порой весьма тускло. В 1475 году голландец Людвиг Беркен открыл способ гранить, шлифовать и полировать алмазы при помощи порошка этого же драгоценного минерала. Он впервые обработал для бургундского герцога Карла Смелого крупнейший алмаз лимонного цвета, придав ему форму, напоминающую розу. Затем был отполирован легендарный алмаз «Санси», купленный в свое время П. Н. Демидовым и привезенный в Россию. После полировки камни, сверкающие всеми своими гранями, стали очень красивыми. С того далекого времени по сей день алмазы обрабатывают алмазным же инструментом.

На станке, подобном токарному, алмазную заготовку обтачивают острыми выступами другой такой же заготовки. Распиливают, шлифуют или сверлят алмаз алмазным порошком, нанесенным на быстро вращающийся инструмент. В последнее время для ускорения обработки применяется вибрация инструмента с ультразвуковой частотой.

При обработке алмаза алмазными резцами в отходы превращается больше половины драгоценного кристалла. Таким образом, процесс обработки алмаза очень трудоемкий и дорогой. Но это еще не все. Оказывается, механическим способом алмаз удается обрабатывать не во всех направлениях. Особенности кристаллической решетки алмаза делают его неодинаково твердым в разных плоскостях. Поэтому алмаз поддается механической обработке только по «мягким» направлениям, и распиливать его можно лишь так, чтобы плоскость среза соответствовала расположению атомов углерода в плоскостях куба и ромбододекаэдра.

В последнее время для обработки алмаза начали использовать луч лазера, который выжигает вещество. Импульс света делает в алмазе воронку. Серией импульсов, направленных в одну точку, алмаз сверлят, а располагая импульсы в ряд — режут. При лазерной обработке поверхность воронок трескается из-за сильных термических напряжений. Слои алмаза, нарушенные лазером, приходится удалять с помощью все той же механической обработки.

Ученые долгое время искали новые эффективные способы обработки алмаза. Один из таких способов, существенно упрощающий изготовление традиционных изделий из алмаза и открывающий новые возможности его обработки, найден в Якутском филиале Сибирского отделения АН СССР. Он основан на явлении, давно известном металлургам, — растворении алмаза в железе. Помните, как П. П. Аносов вводил алмаз в сталь, надеясь получить новую форму существования в ней углерода? Зная об этом, нет причины удивляться тому, что железом можно резать алмаз!

Каждый атом углерода в структуре алмаза соединен со своими соседями четырьмя прочными связями, называемыми ковалентными. Природа этих самых прочных связей определяется небольшим размером атомов углерода. С другой стороны, благодаря своему небольшому размеру, атомы углерода при соответствующей температуре способны проникать в решетку металлов, образуя твердый раствор внедрения. Растворять в себе углерод могут не все металлы, а только те, атомы которых имеют недостроенную внутреннюю электронную оболочку. Они называются переходными металлами. Из переходных металлов лучше всего в твердом состоянии углерод растворяет железо, никель и кобальт.

Много лет назад во Франции для подтверждения углеродной природы алмаза был проделан следующий эксперимент. Алмаз положили на брусок железа, который нагрели в нейтральной среде до 1000 °C. В месте контакта с алмазом мягкое железо науглеродилось и превратилось в сталь. Этот опыт хорошо объясняет, почему железо в ряде случаев не удавалось обрабатывать алмазными резцами.

Читатель уже, наверное, догадался, как можно железом резать алмаз. Действительно, если положить на алмаз железную проволоку и нагреть в вакууме эту систему, то атомы углерода начнут «внедряться» в железо, алмаз будет растворяться, и проволока его разрежет! Но беда в том, что процесс растворения углерода в железе не бесконечен. Проволока сравнительно быстро насытится углеродом, и процесс «резания» сначала резко замедлится, а потом прекратится совсем. Следовательно, из железной проволоки надо все время убирать углерод, тогда она не будет терять своих режущих свойств. Но как это сделать? Якутские ученые дали исчерпывающий ответ на этот вопрос.

Дело в том, что при растворении алмаза в железе происходит разрыв прочных ковалентных связей, которые существуют между атомами углерода в решетке алмаза. В твердом растворе внедрения, который образуется в железе при 1000 °C, углерод практически находится в атомарном состоянии, испытывая лишь слабое химическое взаимодействие с металлом-растворителем. Поэтому растворенные в железе атомы углерода значительно более активны, чем в алмазе. При температуре «резания» (1000 °C) алмаз не способен взаимодействовать с водородом или углекислым газом, а растворенный в железе углерод хорошо с ними взаимодействует. Реакция протекает на поверхности металла и сопровождается образованием газообразных продуктов: метана или окиси углерода.