Высокие давления 

Состояние вещества, как известно, определяется температурой, давлением, концентрацией, электрическим и магнитным полями. Если температура и концентрация являются для металлурга привычными факторами, при помощи которых он уже давно меняет фазовый состав и структуру сплавов, то давление (за исключением методов обработки металлов давлением) лишь в последние годы используют для проведения практических и исследовательских работ. Причина этого — достижение техники высоких всесторонних давлений и очевидные успехи в получении при их помощи новых материалов.

В течение ряда лет ученые МГУ, Харьковского физико-технического института АН УССР и Института физики высоких давлений АН СССР проводили подробные теоретические и экспериментальные исследования влияния давления на физические свойства металлов.

Госкомитет СССР по делам изобретений и открытий 18 декабря 1980 года зарегистрировал открытие, сделанное советскими физиками. Авторы открытия доказали, что при достижении критических значений упругих деформаций кристаллической решетки металлов могут наблюдаться специфические явления, связанные с резким качественным изменением свойств электронов, определяющих проводимость металла. Последнее приводит к изменению всего комплекса электрофизических свойств вещества.

Сделанное открытие имеет важное значение в науке и технике. Оно обогатило современные представления о физических свойствах металлов и сплавов и предоставило возможности целенаправленного получения материалов с новыми необычными свойствами.

Известно, что металлам свойственна аллотропия — способность существовать в различных кристаллических формах. Воздействуя на металл или сплав при помощи высокого давления, можно в некоторых случаях изменить фазовый состав сплава, получить новые модификации с иной кристаллической решеткой и зафиксировать эти новые состояния вещества путем быстрого охлаждения при снятии давления.

Но не только лабораторные установки могут дать высокое давление. Появляется заводская техника для этого. В последние годы за рубежом и в нашей стране в обработке металлов давлением все чаще применяют процессы горячего прессования (выдавливания) и гидроэкструзии. Сущность гидроэкструзии заключается в том, что истечение металла из замкнутого объема через матрицу совершается под действием жидкости высокого давления. Между деформируемым металлом и прессовым инструментом отсутствует контакт. Формоизменение заготовки осуществляется в условиях жидкостного трения. Силы трения при перемещении жидкости с большей скоростью, чем металл, уже не являются тормозящими, а способствуют движению и деформации металла.

Гидроэкструзия чудесным образом меняет свойства материалов, расширяет границы их применения, открывает широчайшую перспективу производственникам. У деталей из обычной стали, изготовленных методом гидроэкструзии, в несколько раз улучшаются механические свойства, и они не уступают изделиям, изготовленным из самой лучшей легированной электростали. Более того, гидроэкструзия позволяет коренным образом изменить весь облик промышленного производства.

На одном заводе, например, гидроэкструзионный автомат для изготовления эвольвентных валиков заменил 400 прессовых станков. На другом заводе подобный автомат заменил целый цех на 100 металлорежущих станков, причем для этого ему понадобилось работать… всего два месяца в году.

Работы по созданию прессовых установок и исследованию процесса проводятся весьма интенсивно. Технологи особенно заинтересовались несомненным преимуществом метода для обработки хрупких материалов, малопластичных сплавов.

… Вкладывают в пресс заготовку — стержень диаметром 8 и длиной 17 миллиметров. И через несколько минут из 2,5-миллиметровой фильеры поползла проволока… Изобретатель Н. Радченко рассказал о своем 25-тонном ледовом прессе: масса его всего 3,5 килограмма, а гидропресс на 25 тонн должен иметь массу около двух тонн при соответствующих габаритах.

Чтобы увеличить мощность гидравлического пресса, надо повысить рабочее давление в его приводе. А это значит — основательно доработать насос пресса или создать новый. В итоге при увеличении давления в 3 раза затраты возрастут примерно в 10 раз. В льдоинструменте давление до 218 МПа достигают и регулируют изменением температурных режимов, без каких-либо дополнительных доработок и затрат.

Таким установкам не нужны ни гидроэлектроприводы, ни аккумуляторы, ни уплотнения, ни предохранительные клапаны.

Практически давление ограничено только плотностью материалов, из которого изготовлена конструкция. А работает здесь замерзающая вода. Зимой охлаждает ее простой воздух, а летом — доступный каждому предприятию сжиженный углекислый газ в баллонах, жидкий азот, аммиак, фреон и другие газы. Расход хладагента ничтожен. А “механика” очень проста: знаете ведь, почему лопается на морозе плотно закупоренная бутылка с водой?

… В лаборатории бушевала “гроза”. Оператор нажимал кнопку, гремел гром, высоковольтные электрические разряды метались в наполненном водой закрытом металлическом баке. Словом, это была вполне “прирученная” стихия: здесь рождались молнии-труженицы, запряженные в колесницы промышленной технологии. Они используются для очистки отливок.

Мощность каждой рукотворной молнии достигает миллиона киловатт. В “канале” подводного искрового разряда рождается плазма, нагретая до 20–30 тысяч градусов. Электрическая энергия превращается в механическую: в жидкости возникают ударная волна с давлением до 5000 МПа и высокоскоростные потоки. Электрогидравлический эффект — сложный комплекс физических явлений, возникающих при высоковольтном импульсном разряде в жидкости, — широко применяется в технике и производстве. И в этом немалая заслуга принадлежит коллективу проектно-конструкторского бюро электрогидравлики АН УССР.

Очистка — вовсе не единственная специальность рукотворных молний: они безотказно работают в прессах. Вот так действует, например, установка “Удар-12М”: в нее кладут металлическую заготовку, а в матрицу помещают “зеркальный” прообраз будущего изделия. Пуансона, как в обычном прессе, здесь нет, его роль выполняет вода, передающая на заготовку импульс энергии, высвобождающейся при разряде. Звучит хлопок “выстрела” — можно снимать готовую деталь, крепить новую заготовку. Получаемые таким методом штамповки отличаются высокой точностью и чистотой обработки. Их производство проще и дешевле.

… Электрод приближается к стальной детали, раздается сухой треск, и на поверхности изделия возникают тысячи огненных нитей-разрядов. Через миг их температура достигает 10 тысяч градусов. Сталь на глазах темнеет, покрываясь тонким слоем твердых соединений. Бомбардировку металла “мини-молниям” ведет установка, созданная учеными Института проблем материаловедения АН УССР, Института прикладной физики АН Молдавской ССР и Пензенского политехнического института.

“Рождаемые в таком устройстве электрические разряды проявили себя отличными “облицовщиками” металлов, — сообщил руководитель работ профессор М.Е. Ковальченко. Эти “мини-молнии” могут отрывать молекулы одного материала и намертво “пристегивать” их к поверхности другого. Поскольку используемые в качестве электродов тугоплавкие соединения отличаются особо высокой твердостью и износостойкостью, обычная сталь приобретает надежное покрытие”.

Метод, внедренный на семнадцати предприятиях страны, оказался эффективным прежде всего для упрочнения “штампов и режущего инструмента. Тонкое покрытие, как показала практика, повышает долговечность стальных изделий в 3–4 раза.

Применение высоких давлений дает возможность овладеть еще не использованными свойствами металлов. Союз науки и прогресса создает необычные способы формообразования металла и изделий из него.