Используя большой опыт отечественной промышленности, советские металлурги создали новую отрасль техники - вакуумную металлургию. Позже, чем в других металлургических процессах, вакуум, и атмосферу инертных газов начали применять при горячей обработке металлов давлением. Исследования особенностей высокотемпературной пластической деформации в вакууме, проведенные Московским институтом стали, и сплавов. Центральным научно-исследовательским институтом черной металлургии им. И. П. Бардина, Украинским научно-исследовательским институтом металлов, Физико-техническим институтом АН УССР, Институтом металлургии имени А. А. Байкова АН СССР, Узбекским комбинатом тугоплавких, и жаропрочных металлов, и др., показали высокую эффективность нового метода обработки металлов. В настоящее время от лабораторных исследований переходят к промышленному освоению горячей прокатки в вакууме.
На ряде предприятий установлены вакуумные прокатные станы для получения многослойных материалов, чистых, и сверхчистых металлов, необходимых новой технике. Проектируются мощные вакуумные прокатные станы для получения листов больших габаритов из тугоплавких металлов, и сплавов.
Можно надеяться, что в ближайшие 5 - 10 лет значительная часть тугоплавких, редких, химически активных металлов, и сплавов на их основе будет обрабатываться в вакууме, и в инертных средах. Благодаря этому улучшатся свойства полуфабрикатов из таких металлов, и сплавов. Кроме того, у новых процессов обработки будут более высокие технико-экономические показатели, что позволит расширить объем производства, и применения новых материалов. А это - необходимое условие ускорения научно-технического прогресса.
Член-корреспондент Академии наук СССР Б. САХАРОВ.
Доктор технических наук, профессор А. КРУПИН, кандидаты технических наук Б. ЛИПЕЦКИЙ, и В. ЧЕРНЫШЕВ.
ВЕЛИКОЛЕПНАЯ СЕМЕРКА
В 1783 году испанские химики братья д’Элуяр выделили из минерала вольфрамита вольфрамовый ангидрид (открытый за два года до этого шведским химиком К. Шееле) и, восстановив его углеродом, впервые получили сам металл, который назвали вольфрам (от немецких слов Wolf - волк, Rahm - пена; такое название объяснялось тем, что минерал вольфрамит, сопровождавший оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков - «пожирал олово, как волк овцу»).
Более 120 лет понадобилось, чтобы понять, какими необыкновенными свойствами обладает этот металл, и найти ему достойное применение.
Открытые, как, и вольфрам, многие десятилетия тому назад такие редкие металлы, как ниобий, тантал, цирконий, титан, молибден, рений, долгое время тоже не находили практического применения.
Ныне редкие металлы, в основном металлы этой «великолепной семерки», благодаря удачному сочетанию таких важнейших для новой техники свойств, как исключительная тугоплавкость, высокая жаропрочность, и коррозионная стойкость, низкий температурный коэффициент линейного расширения, по праву заняли особое место в арсенале современных материалов. Именно их использование сыграло важнейшую роль в развитии авиации сверхзвуковых скоростей, ракетной, и космической техники. *
СЕРЬЕЗНЫЕ ПРЕПЯТСТВИЯ
Тугоплавкие металлы очень прочны, быстро теряют пластичность, и сильно упрочняются при холодной обработке, в результате чего их сопротивление деформированию становится весьма большим. Значит, их обработку давлением нужно проводить в горячем состоянии, то есть предварительно нагревать заготовку, чтобы значительно повысить пластичность металла. Именно так поступают при обработке давлением большинства металлов, и сплавов, особенно, когда приходится получать изделия из слитков относительно больших сечений. Но использовать эту классическую технологию для обработки тугоплавких металлов, и сплавов оказалось далеко не простым делом. И вот почему.
Обладая целым рядом уникальных свойств, редкие металлы имеют весьма существенный недостаток. Стоит эти металлы, большинство из которых не взаимодействует с газами при комнатной температуре, нагреть на воздухе выше определенного предела, как они начинают образовывать окислы, поглощать газы. Так, например, вольфрам начинает окисляться при температуре 400 - 500° С, а его горячую обработку давлением требуется проводить при более высоких температурах, скажем, ковку при 1 500 - 1 600° С, прокатку - при 1 300 - 1 400° С; ниобий начинает окисляться при 250 - 270° С, горячую же обработку его проводят при 1 100 - 1 300° С.
Поэтому если такие металлы обрабатывают в горячую на воздухе, то это приводит, во-первых, к большим потерям. Например, из каждой тонны вольфрама в окислы перейдет до 120 килограммов металла! Если учесть, сколь высока цена вольфрама, то ясно, какой ущерб это нанесет. Во-вторых, диффузия газов в тугоплавкий металл оказывает губительное влияние на многие его свойства. Например, увеличение содержания кислорода в рении с 0,002 до 0,025 процента понижает пластичность металла в 4 раза.
Что же делать, как предохранить от вредного влияния активных газов воздуха металлы, которые при горячей обработке давлением - прокатке, ковке, прессовании - нагреваются до высоких температур?
Металлургам пришлось преодолеть немало трудностей, создавая приемлемую технологию производства редких металлов. Успехи в этом направлении открывают им широкий путь в технику. Этот этап развития металлургии стал особенно актуальным в связи с результатами, достигнутыми при получении чистых, и сверхчистых металлов, и сплавов. Нужна была такая технология обработки давлением, которая бы не зачеркивала всего того, что давали для новой техники успехи «металлургии девяток», позволяющей получать металлы, содержащие всего лишь десятитысячные, даже миллионные доли примесей. Высокую чистоту металлов, от которой зависят их многие важнейшие технологические, и физические свойства, надо было сохранить, и на этапе обработки давлением.
Чтобы защитить тугоплавкие, и редкие металлы от окисления и газонасыщения при нагреве, и деформации, стали применять сварные оболочки из стали, никеля, молибдена, и других материалов, защитные обмазки, металлические, и металлокерамические покрытия, и т. д.
Такие способы защиты имеют существенные недостатки в процессе деформации невозможно наблюдать за состоянием заготовки, находящейся в оболочке; отрицательное влияние на качество металла оказывают газы, содержащиеся в самой оболочке; затруднено отделение металлических оболочек от деформируемого металла, и поэтому требуется дополнительная операция - травление (в растворах, не реагирующих с основным металлом) поверхностного газонасыщенного слоя и пр. Более того, для каждого обрабатываемого металла или сплава надо изыскивать покрытие со специфичными для данных условий свойствами, что само по себе является весьма трудоемким процессом.
Все это, естественно, затрудняло решение проблемы промышленного производства изделий из тугоплавких, и редких металлов, и сплавов на их основе. Надо было разработать другие, более эффективные способы, полностью исключающие или резко уменьшающие взаимодействие металлов с газами при горячей обработке давлением.
ЦЕХ, В КОТОРОМ НЕТ ВОЗДУХА
Взгляните на фотографию, помещенную внизу. Что это? Космонавты в кабине орбитальной станции или на поверхности другой планеты? На фотографии - рабочие в специальных скафандрах, которые обрабатывают молибден в цехе, в котором нет воздуха.
Этот цех, пущенный в эксплуатацию в 1960 году в американском городе Бриджвилле и названный «Ин-фаб» (сокращение от инерт-фабрикейшн), заполнен инертным газом аргоном. Чтобы вытеснить воздух из цеха, и заместить его аргоном, был применен оригинальный, и в то же время простой способ. В цех заносится резиновая оболочка, в которую накачивают инертный газ. Оболочка раздувается, и газ заполняет весь объем помещения; затем оболочку прокалывают. Для устранения возможного подсоса воздуха извне давление инертного газа в цехе поддерживается выше атмосферного.
«Ин-фаб» представляет собой герметичный стальной зал площадью около 400 квадратных метров, и высотой 7 метров. В нем имеется все необходимое для проведения горячей обработки тугоплавких металлов молот для ковки, обжимной прокатный стан с рольгангами, нагревательная индукционная печь, пила горячей резки металла, и другое оборудование. Работающие в цехе пользуются специальными пневмокостюмами, которые обеспечивают внутреннюю циркуляцию воздуха, и защищают человека от теплового, и ультрафиолетового излучения.
В цехе «Ин-фаб» можно ковать, и прокатывать тугоплавкие металлы в атмосфере инертного газа при очень высоких температурах (2500°С), то есть в условиях, при которых любой металл становится пластичным, и легко поддается обработке.
Созданы, и другие устройства для горячей обработки давлением тугоплавких, и редких металлов в инертных средах. Такая деформация обеспечивает значительное уменьшение окисления и газонасыщения этих металлов. Так, весовые потери на окисление при ковке молибдена не превышают 0,5 процента, в то время, как ковка на воздухе сопровождается потерями до 12 процентов. Поверхность полос после прокатки в атмосфере аргона довольно чистая, без грубых дефектов, и толстого слоя окалины.
Однако опыты показали, что деформация в среде даже высокоочищенного инертного газа не предохраняет полностью тугоплавкие, и редкие металлы от влияния содержащихся в нем примесей (кислорода, водорода, азота). Можно, конечно, добиться еще более высокой степени очистки инертного газа, но это связано с дополнительными экономическими затратами.
ПРОКАТКА В ВАКУУМЕ
Почти в 20 тысяч раз понижается содержание примесей в высокочистом инертном газе по сравнению с их содержанием в воздухе. Но при разрежении в 10 - 6 миллиметров ртутного столба (мм рт. ст.), что соответствует давлению газа в космическом пространстве на высоте около 130 километров, количество примесей уменьшается в 760 миллионов раз.
Развитие нового метода обработки давлением тугоплавких металлов в Советском Союзе пошло именно по пути создания вакуумных устройств. При этом вакуумные устройства легко могут быть использованы для проведения деформации, и в инертной среде, то есть они являются с этой точки зрения универсальными.
Первый вакуумный прокатный стан был сконструирован в Советском Союзе в Физико-техническом институте АН СССР в 1951 году. С тех пор в Советском Союзе создан целый ряд вакуумных прокатных устройств.
Все эти устройства по способу вакуумирования отдельных узлов стана можно разделить на два типа.
Проще всего, конечно, поместить в вакуумную камеру всю рабочую клеть прокатного стана. При этом уплотнение валков производится по шпинделям, и не представляет особого труда. Однако рабочие клети современных станов, например, непрерывных станов горячей прокатки листов, достигают высоты 8 метров. Для такой клети требуется вакуумная камера колоссального объема - 250 кубометров - и, чтобы быстро откачать ее, необходима исключительно мощная вакуумная система.
Если вакуумировать только прокатные валки, то эти трудности отпадают, но значительно усложняется уплотнение валков. В настоящее время эта проблема успешно решена созданием специального вакуумного ввода валков.
Примером устройства первого типа - клеть в камере - является вакуумный прокатный стан, созданный в Московском институте стали, и сплавов, второго типа - валки в камере - стан, сконструированный в Физико-техническом институте АН СССР в 1960 году.
Зарубежные ученые тоже пришли к выводу о целесообразности использования вакуумных устройств. В США на одном из симпозиумов по вакуумной технике в 1958 году сообщалось о вакуумном прокатном стане для получения ленты из спрессованных штабиков титана. В 1962 году появилось сообщение об установке на заводе «Ин-фаб» вакуумного прокатного стана, названного «Вак-фаб» (сокращение от вакуум-фабрикейшн). «Вак-фаб» представляет собой лабораторный прокатный стан первого типа - его рабочая клеть размещается в стальном боксе.
Вакуумные прокатные станы подобного типа в последние годы стали строиться, и в Японии.
ЕДИНСТВЕННЫЙ ПУТЬ
Если для многих тугоплавких, и редких металлов горячая деформация в вакууме позволяет усовершенствовать технологию обработки, улучшить свойства металлов, и существенно увеличить выход годной продукции, то для некоторых металлов новой техники обработка давлением в вакууме вообще оказалась единственным способом проведения самого процесса горячего деформирования. Показательна в этом отношении технология обработки тугоплавкого металла рения.
Обработка рения представляет собой исключительно сложный, и трудоемкий процесс. В настоящее время в промышленности рений деформируют в холодном состоянии. А металл этот исключительно твердый, причем даже при небольшом обжатии (всего на 5 - 10 процентов) он сильно наклепывается, и твердость его резко повышается. Это приводит к тому, что дальнейшая обработка становится невозможной. Чтобы сделать рений пластичнее, и тем самым способным деформироваться, его надо отжечь - выдержать примерно при 1 800s С. Нагревать же рений в воздушной среде до столь высокой температуры нельзя снизится качество металла, велики будут потери на окисление. Поэтому приходится отжигать рений в вакууме. И такой отжиг требуется проводить после каждого обжатия площади поперечного сечения на 10 процентов. Таких обжатий для получения из исходной заготовки изделия иногда нужен не один десяток.
Не удивительно, что, и без того высокая стоимость рения (обусловленная прежде всего его малой распространенностью в природе) возрастает из-за столь сложной технологии почти в 3 раза (по американским данным 1960 года 1 килограмм порошка рения стоил 1 540 долларов; в виде проката - 4 410 долларов). А проводить на воздухе горячую обработку рения, чтобы упростить технологический процесс, невозможно, так, как рений в этих условиях разрушается.
Эксперименты по горячей прокатке рения в вакууме показали, что в этих условиях явление красноломкости бесследно исчезает Металл выходит с блестящей, качественной поверхностью, без единого признака разрушения. При горячей деформации рений становится значительно более пластичным, можно в 3 - 4 раза увеличить степень деформации за один раз, и таким образом намного уменьшить общее число проходов, необходимых для получения из заготовки полуфабриката. Промежуточные отжиги металла при этом становятся ненужными. Все это приводит к упрощению технологического процесса, и в конечном итоге к снижению стоимости проката из рения.
«СЭНДВИЧИ» - МАТЕРИАЛЫ БУДУЩЕГО
Новым областям техники все чаще, и чаще нужны материалы, имеющие структуру сэндвичей, то есть слоистую структуру. Такие материалы называют еще комбинированными, или композиционными. Их слои (это могут быть, как металлы, так, и неметаллы) очень прочно соединены между собой. В технике уже давно, и широко используют двухслойные металлические композиции - биметаллы. Применяют, и более сложные композиции, состоящие из трех, четырех, и более различных слоев.
Использование биметаллов позволяет сберечь громадное количество дорогостоящих, и дефицитных металлов. Например, в химическом машиностроении многие детали различных аппаратов подвергаются разрушительному влиянию агрессивных сред. Поэтому такие детали необходимо изготавливать из коррозионностойких материалов, например, из серебра, титана, никеля, нержавеющей стали.
Очевидно, что из таких материалов достаточно изготовить только тонкий слой, непосредственно соприкасающийся с агрессивной средой. В таких случаях, и выгодно применять биметаллы, у которых тонкий рабочий слой - коррозионностойкий металл, а основная часть-толстый лист дешевой малоуглеродистой стали, который придает конструкции необходимую прочность. При этом экономится до 80 процентов дефицитных материалов.
Соединяя в единое целое различные металлы, удается не просто объединять их полезные свойства, а получать качественно новый материал с уникальными свойствами, которыми не обладали исходные металлы.
Но, как получить такой материал? Как можно прочно соединить между собой отдельные его составляющие?
Сегодня техника знает много способов производства многослойных материалов. К ним относятся электросварка, наплавка, диффузионная сварка в вакууме, сварка трением, взрывом, ультразвуком, электронным лучом. Широко применяется, и метод совместной горячей прокатки листов, позволяющий получать изделия хорошего качества.
Однако традиционная горячая прокатка многослойных материалов, у которых хотя бы один из слоев является тугоплавким или редким металлом, не дает желаемых результатов. Это, и понятно. Ведь главное условие прочного соединения слоев - чистота соприкасающихся поверхностей. Но о, какой чистоте поверхностей может идти речь, если горячая прокатка производится на воздухе?
И тут на помощь опять приходит новый метод деформации металлов - прокатка в вакууме. Чистые, или, как говорят, ювенильные, поверхности, образующиеся при обработке в вакууме, обеспечивают создание композиций высокого качества.
Сегодня этим методом получено уже много различных биметаллов, например, титан-бронза, титан-нержавеющая сталь, титан-алюминиевый сплав, цирконий-медь, ниобий-медь, сталь-серебро, и много других. Всех их отличает исключительно высокая прочность сцепления слоев. Например, если взять кусок биметалла титан-бронза и попытаться, каким-либо способом оторвать друг от друга его слои, то разрушение происходит не по месту соединения, а по бронзе.
ОБОРОТНАЯ СТОРОНА МЕДАЛИ
Две пластины, прокатанные в вакууме, свариваются между собой. Сварка может происходить, и между прокатываемыми металлами и деформирующим инструментом - валками. В этом случае начнется вредный процесс - налипание металла на валки. Это резко понижает стойкость валков, вызывает необходимость их частых перешлифовок и перевалок, и не позволяет получить изделие (или полуфабрикат) с высоким качеством поверхности. В ряде случаев налипание металла на валки достигает такой интенсивности, что прокатка в вакууме становится невозможной. Для борьбы с этим вредным явлением можно использовать различные технологические смазки. Но применение смазок при горячей прокатке в вакууме значительно усложняется, так, как они либо возгоняются, что приводит к оголению поверхности заготовки, и загрязнению атмосферы, либо, взаимодействуя с деформируемым металлом, ухудшают его свойства.
Кардинальное решение проблемы лежит в правильном выборе материала валков. Как показали исследования советских ученых, наивысшей стойкостью против налипания обладают валки из твердосплавных материалов (ВК-10, ВК-15). При прокатке на этих валках даже у такого склонного к налипанию металла, как вольфрам, после прокатки на стане с валками из твердых сплавов поверхность получается блестящей, качественной.
ЗАВОД НА ЛУНЕ
В условиях Земли, окруженной плотными слоями атмосферы, создающей на поверхности планеты давление около 760 мм рт. ст., разрежение достигается искусственным путем - откачкой воздуха с помощью насосов. В рабочих камерах прокатных станов в настоящее время создается вакуум 10^-5 мм рт. ст., таким образом давление приходится уменьшать в 76 миллионов раз!
По мере удаления от поверхности Земли давление непрерывно падает. Нельзя ли использовать это обстоятельство?
В наше время, ознаменовавшееся огромными успехами в освоении космического пространства, уже не выглядит беспочвенной фантазией идея использовать для обработки металлов естественное разрежение, смонтировав все необходимое оборудование на мощной орбитальной станции.
Возможен и другой, более заманчивый вариант.
Атмосфера - это вовсе не обязательный атрибут небесного тела. Например, ближайшее к нам небесное тело - Луна начисто лишена, какой бы то ни было атмосферы.
Анализ образцов лунных пород показал, что такие редкие на Земле элементы, как иттрий, титан, хром, цирконий, имеются на нашем спутнике в больших количествах.
Что же еще надо? Есть космический вакуум, есть редкие элементы. Надо доставить на Луну необходимое оборудование солнечные печи для выплавки металла, машины для проведения пластической деформации. Создавать вакуум не нужно, он, и так «в избытке». Все оборудование при этом значительно упрощается. Люди будут обслуживать машины в космических скафандрах. На таких заводах будут получать полуфабрикаты из тугоплавких, редких металлов и затем на грузовых ракетопланах отправлять на Землю. Сегодня все это скорее из области фантастики. Но стремительный бег времени не раз делал реальным то, что казалось далеким, несбыточным, и не исключено, что еще до конца XX века на Луне будут построены заводы по обработке редких металлов.
А пока ученые, инженеры занимаются совершенствованием космической прокатки в земных условиях, чтобы полнее удовлетворить запросы стремительно развивающихся областей новой техники.
