Металлы и человек - Михаил Васильев

Итак, отливку из белого чугуна кладут в ящик, засыпают песком и ящик помещают в печь. В течение 20–25 часов — целые сутки напролет— металлурги нагревают печь до температуры в 950—1000 градусов. Затем эту температуру выдерживают в печи более полусуток — 15 часов. Несколько часов длится и охлаждение отливок до температуры в 700 градусов. И еще больше суток остается отливка в печи с такой температурой. 70–80 часов длится весь процесс отпуска белого чугуна, процесс превращения белого чугуна в ковкий. А иногда он растягивается и на 140–170 часов.

Опытные кулинары.

Впрочем, есть тенденции и к сокращению его до 30 часов и меньше.

В процессе отпуска происходит разложение цементита и выделение графита в форме хлопьев, имеющих лишь несколько большую поверхность, чем шарообразные включения модифицированного чугуна. И соответственно оказывается несколько меньшей прочность ковкого чугуна по сравнению с модифицированным. Усилия металлургов не пропадают даром.

Изделия из чугуна нередко соперничают со сталью. Да, из чугуна отливают трубы, и не только те, от которых не требуется прочности, но и работающие под давлением. Да, из чугуна делают поршневые кольца, используют его хорошие антифрикционные свойства. Но то, что из лучших сортов чугуна ухитряются делать даже коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания, вас, наверное, удивит.

А вот прокатывать чугун еще не научились.

Все, конечно, помнят прекрасное стихотворение Н. А. Некрасова о железной дороге. В начале его есть строчки:

Быстро лечу я по рельсам чугунным,Думаю думу свою…

Нет, поэт ошибся, железнодорожные рельсы не делают из чугуна. Чугунные литые рельсы, хрупкие, непрочные, применялись только на самой заре развития железнодорожного транспорта. Уже в 1820 году они были вытеснены в Англии прокатанными стальными. Да и в России в 1839 году начали катать стальные рельсы. И именно они легли на шпалы железной дороги, соединившей в 1851 году Москву и Петербург, дороги, вдохновившей поэта на один из шедевров русской поэзии.

Кроме углерода, в чугуне всегда есть и другие примеси, оказывающие влияние на его свойства.

Прежде всего среди этих веществ надо отметить кремний. Наличие этого элемента способствует выделению графита. Чем больше кремния, тем легче получается при застывании расплава серый чугун.

Марганец оказывает обратное действие. Говорят, что он способствует отбеливанию чугуна.

Таково же примерно действие серы. К тому же она делает чугун «густоплавким» — плохо заполняющим форму. Поэтому не допускают ее содержания в чугуне выше 0,1 процента.

Фосфор не оказывает никакого влияния на графитизацию. Из механических свойств чугуна он особенно повышает его хрупкость, то есть ухудшает его качество. Однако есть одна область применения чугуна, где фосфору прощают его дурные свойства.

…Во всех лучших музеях мира можно увидеть удивительно изящные, блестящие черной поверхностью металла скульптуры. Среди них и нелепая фигура Дон-Кихота, и распластавшаяся над степью в стремительном полете тачанка, и старушка, присевшая за прялку. Здесь же можно увидеть удивительной красоты вазы, к стенкам которых, кажется, приклеились травинки и листики — такие живые, каждая жилка видна. А рядом ажурное кружево решетки, строгие линии светильника… Это каслинское литье.

Более двухсот лет, с 1747 года, существует в Челябинской области Каслинский чугунолитейный завод. И более двухсот лет удивляют его мастера умением отливать из грубого, неподатливого чугуна эти прекрасные ажурные вещи.

Одним из секретов их производства является использование фосфористых чугунов.

— Да, — говорят они, — фосфор снижает механические свойства чугуна, делает его более хрупким. Но мы и не предназначаем наши отливки для использования в качестве молотков или зубил. Не так уж много, по нашему мнению, придется им выдерживать ударов или переменных нагрузок. Но зато фосфор делает чугун жидко-текучим, медленно застывающим, заполняющим все мельчайшие изгибы формы. Это в нашем деле куда важнее ударной прочности металла.

Да! Чугун — отличный литейный материал. Ведь он обладает удивительным и редким свойством — застывая, увеличиваться в объеме. Только вода еще обладает этим же свойством. Поэтому лед плавает в воде, твердый чугун — в расплавленном. Когда чугун, остывая, становится тестообразным, из него начинает выделяться графит. Он имеет весьма небольшой удельный вес и поэтому занимает сравнительно много места. И он заставляет отливку раздаться вширь, увеличить свой объем. В это время и происходит заполнение всех углублений формы, в которую он залит.

…Как мы видим, все усилия младшего брата догнать по своим совершенствам старшую сестру пока тщетны. Да это и не нужно: у чугуна своя судьба — быть не соперником, а помощником и другом стали.

Бронированный металл

Нам осталось рассказать всего об одном еще направлении в борьбе за повышение прочности металлов — о механической обработке поверхностей металлов с этой целью.

Да, есть, оказывается, и такой метод. Он состоит в создании на поверхности металла наклепа.

Помните, растягивая стальной образец и перейдя предел текучести, мы обнаружили новое упрочнение металла. Сдав часть своих позиций, он вдруг славно мобилизовал новые силы для сопротивления деформации, стал прочнее, чем был в начале опыта.

Вот такое состояние наклепа и создают в некоторых случаях на поверхности деталей.

…Словно крупные градины, обрушиваются на поверхность детали бесчисленные стальные шарики, выстреливаемые потоком сжатого воздуха. Их удары сминают, уплотняют поверхность детали. Возникает наклеп.

Такого же рода упрочнение достигается обкаткой детали закаленными роликами. Сжимаемая ими с огромной силой деталь как бы утюжится. Поверхностный слой ее приобретает повышенные механические свойства. Такой металл, в частности, лучше сопротивляется усталости. Толщина наклепанного слоя при обоих методах обработки не превышает 0,2 мм.

Конструктор продолжает борьбу

Конструктор завершил чертеж своей машины. Он не только определил в спецификации, из какого материала изготовить ту или иную деталь. В целом ряде случаев он указал, какой обработке с целью улучшения прочности их надо подвергнуть. Его чертежи пестрят надписями: «предварительно проковать», «цементировать», «закалить до такой-то твердости» и т. д.

Но есть и еще одно, что не заметишь сразу. И у себя за чертежной доской инженер вел борьбу за прочность металла.

Вот на его чертеже изображен ступенчатый валик, на который надеваются шестерни зубчатой передачи. Заметили вы, какие плавные сопряжения радиусом в 3, а то и в 5 мм наметил он сделать в переходах от одного диаметра валика к другому? Думаете, это для красоты, чтобы порадовать изяществом чертежа? Нет, это борьба за прочность! Ведь именно в этих местах при работе машины, если не сделать плавных переходов, возникнет концентрация напряжений, которая разрушит валик, переломит или изогнет его как раз в этом сечении.

Сделайте простой опыт. Поставьте на ребро две книги. Пусть это будут две стороны пропасти, которые надо соединить мостом. Мост надлежит сделать из листа бумаги. Попробуйте этот лист просто положить плашмя, краями на наши книги. Он прогнется под своей собственной тяжестью. Где уж ему выдержать вес пешеходов, автомобилей, поездов, которые захотят переправиться через пропасть!

Нет, дело не в недостаточной прочности нашего листа бумаги. Дело в том, что мы не сумели использовать эту прочность. Отогните продольные стороны вашего листа под прямым углом, чтобы образовалось нечто вроде желоба. Поставьте теперь его ребрами вниз над нашей пропастью. Этот желоб будет значительно жестче простого листа. Вы можете нагрузить этот мост несколькими карандашами, линейкой, даже чернильницей. А ведь далеко еще не все прочностные возможности листа бумаги использовали мы в своей примитивной конструкции…

Конструктор в совершенстве владеет всеми средствами борьбы за прочность металла посредством выбора его более рациональной формы. Он знает, что трубка из того же металла, что и стержень, того же самого веса и длины, всегда прочнее стержня, может сопротивляться большему изгибающему или скручивающему ее усилию. Он умеет изменением конструкции превратить неприятные изгибающие усилия в растягивающие или сжимающие. Он с закрытыми глазами скажет, как выгоднее в том или ином случае разместить швеллер или двутавр, где вместо массивного металла применить листовой, вместо прокатанного профиля — гнутый. И анализируя отдельные решения, принятые им в конструкции, мы не можем не восхищаться их остроумием, целесообразностью, тем, что в товарищеском кругу конструкторов называют красотой.