Магнитная технология
Традиционные методы формообразования в период научно-технической революции дополняются новейшими способами, основанными на использовании высоких давлений, энергии ультразвука, взрыва, мгновенно создаваемого магнитного поля. Возрастает роль науки в получении и улучшении свойств новых материалов. По мнению академика Н.Г. Басова, на создание новых материалов сильное влияние окажет физика. Направленное изменение физических свойств металлов достигается благодаря воздействию низких и высоких температур, вакуума и высокого давления, электромагнитных полей, плазмы и различных излучений.
В лаборатории радиационных химических исследований Института физической химии АН СССР обнаружили необычное влияние электрического тока на металлы. Оказывается, при определенных условиях в сильном электрическом поле пластичность даже сверхтвердых металлов (титан, вольфрам, нержавеющая сталь) увеличивается в два раза. Это явление получило название электропластического эффекта. Деформация в металле распространяется своеобразными волнами, потрясающими кристаллическую решетку материала. Чем быстрее эти волны, тем пластичнее металл. Ученые из лаборатории радиационных химических исследований выяснили, что электрический ток ускоряет движение таких волн. Оказалось, что элекрическое поле воздействует на электронный газ (свободные электроны, находящиеся в кристаллической решетке металла). Газ под действием электрического поля начинает двигаться и “подталкивает” волны. В результате они перемещаются в металле намного быстрее, увеличивая его пластичность.
Электрическое и магнитное поля не только подгоняют электронный газ, но и давят на металл с довольно большой силой. От этого металл делается еще более пластичным. По принципу электропластического эффекта созданы первые прокатные и волочильные станы. Здесь металл перед прокаткой не нагревают, как обычно, а обрабатывают электрическим током огромной плотности: 100 тысяч А/см2. Новые станы уже работают на ряде предприятий нашей страны, их производительность в несколько раз выше обычных.
Из года в год растет производство различных литых деталей. Хотя процесс успешно механизируется и автоматизируется, он не свободен от недостатков: потеря металла, не всегда высокое качество продукции, вредное тепловое излучение. Можно ли от них избавиться?
На помощь пришла наука. Ученые Института проблемы литья АН УССР создали установку, которой еще не знала мировая практика: магнитодинамический насос, который предназначался для автоматической заливки жидкого металла в формы.
Когда ученые впервые показали свое детище производственникам, те с интересом осматривали невиданную машину, но в душе сомневались. Смущали и простота действия, и универсальность установки. Насос перекачивал по трубе жидкий металл, как воду. Литейная форма заполнялась им с такой же скоростью, точностью и легкостью, с какой в автомате стакан заполняется газированной водой. При этом жидкий металл перемещался под действием магнитного поля. Созданная учеными установка позволяла применить бесковшовную технологию заливки металла в форму.
Принцип действия насоса основан на законе движения в магнитном поле проводника, через который пропущен электрический ток. Таким проводником, движущимся от плавильной ванны к месту разлива, является металл. Как только оператор нажимает кнопку на пульте электромагнитной системы, жидкий металл, словно вода из артезианского колодца, течет по трубопроводу в литейную форму. Соединенная с индукционной печью установка поддерживает постоянную температуру и однородный химический состав расплава. В результате значительно повышается качество отливок и изготовляемых из них деталей, возрастает их прочность, износостойкость. Применение новой установки значительно улучшает условия труда в плавильных цехах.
Самые тяжкие испытания магнитодинамический насос прошел в цехах производственного объединения “Киевтрактордеталь”. С помощью этого насоса можно было перекачивать алюминий, цинк, гарт, но не чугун. А литейщики работали именно с чугуном — этим самым распространенным в машиностроении литейным материалом. Создать конструкцию насоса, способного работать с жидким чугуном, означало решить “литейную проблему” для большинства машиностроительных отраслей. Удивительные возможности дает левитация — металлургия в пространстве.
Металл, обладающий диамагнитными свойствами, может свободно висеть в постоянном магнитном поле при наличии в нем потенциальной ямы, то есть области, где напряженность уменьшается от краев к середине. Однако напряженность такого магнитного поля должна быть чрезвычайно большой, например для подвешивания медного шарика диаметром 1 сантиметр в вакууме следует создать напряжение в несколько сот тысяч эрстед, а диаметр должен быть около 2 сантиметров. Одновременное выполнение обоих условий практически трудно осуществимо, поэтому целесообразно иметь высококачественное электромагнитное поле.
Взаимодействие такого поля с металлом приводит к возникновению в нем вихревых токов, которые вытесняют поле из занимаемого металлом пространства, или, по-иному, поле внутри металла ослабляется вихревыми токами. Вследствие этого в переменном магнитном поле неферромагнитный проводник ведет себя подобно диамагнитному в постоянном токе.
Благодаря силовому воздействию вихревых токов и поля металл выталкивается из зоны с большой плотностью в область с меньшей плотностью, то есть в потенциальную яму. Если указанные силы достаточно велики, то металл может быть поднят вверх, несмотря на действие силы тяжести, и удержан в пространстве во взвешенном состоянии. Плавка во взвешенном состоянии в электромагнитном поле называется также плавкой в электромагнитном тигле, бестигельной, левитационной.
Способ особенно перспективен для исследователя, который может приготовить до 80–100 образцов в течение одного рабочего дня. Нагрев образца до 2000–2500°С производят высокочастотным полем, а дальше — плазмой, электромагнитным лучом или светом.
Производственные возможности метода до сих пор ограничены: масса отливки почти для всех металлов не более 20–25 граммов, хотя для алюминия и отдельных сталей удалось доводить массу расплавленного металла до 100 граммов. Однако в некоторых отраслях промышленности уже сейчас применяют отливки небольшой массы. Они не требуют никакой механической обработки. Например, методом бестигельной плавки получены образцы монокристаллов бездислокационного кремния с совершенной структурой. Магнитная технология находит все новые применения в металлургии.