Николай Глухов - Беседы о физике и технике

НОВЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Как это ни печально, но «золотые времена», когда богатейшие залежи полезных ископаемых лежали почти что на поверхности земли, уже безвозвратно прошли. Сейчас постоянно увеличивается глубина горных разработок, а вместе с ней и себестоимость добытых материалов. Несмотря на это, в Советском Союзе получают сейчас 27 % мировой добычи полезных ископаемых, в Соединенных Штатах — 24 %, остальные же 49 % — в других странах. Однако используется в нашей стране немногим больше половины добытого, остальное идет в отвалы, загрязняя территорию, воду, атмосферу. Если эти отходы переработать, то мы с минимальными затратами увеличим запасы горной продукции примерно на 25 %.

Следует также отметить, что в настоящее время убыток, который терпит народное хозяйство от коррозионной нестойкости материалов, содержащих в своей основе железо, весьма велик. Фундаментальная наука, включающая физические методы исследования, разработала эффективные способы получения новых материалов на основе алюминия, титана, магния, кремния и других компонентов. Получены коррозионно-стойкие, легкие и прочные материалы. Повсеместная замена железных материалов во многих конструкциях, машинах и механизмах на современные конструкционные материалы позволит совершить революцию в машиностроении. Приведем только два примера: 1) сегодня железнодорожный вагон «везет» 30 т собственного веса; 2) легковой автомобиль «Жигули» весит свыше тонны.

А если их сделать из легкого сплава, то они никогда не будут ржаветь и разваливаться, будут в три раза легче, а следовательно, и потреблять гораздо меньше энергии на свое передвижение. Это же относится и к корпусам кораблей, ко всему многообразию современной техники.

«ЗОЛОТОЙ» ИНСТРУМЕНТ

Появлением новых конструкционных материалов машиностроители неизбежно столкнулись с дефицитом режущего инструмента. Чтобы разрешить эту проблему, в лабораториях начались поиски так называемых композитов , которые позволили бы резко повысить скорость обработки и тем самым резко увеличить производительностью металлорежущего оборудования. Часть исследований была направлена на создание керамических резцов, которые можно использовать для совершенствования инструмента, не прибегая к таким легирующим металлам, как вольфрам, ванадий, молибден.

Существовало и другое направление, суть которого заключалась в нанесении на уже существующие металлорежущие инструменты из стали износостойких покрытий, что позволяет повышать скорость резания на 30–50 %.

В этой области наибольшего успеха добились советские ученые, создавшие промышленную технологию нанесения универсального покрытия из нитрида титана, которое позволило повысить скорость, например, сверления в два раза. Более того, для некоторых марок сталей, которые с трудом поддаются обработке, сейчас появилась возможность подбирать инструмент с соответствующим этим маркам покрытием и тем самым повышать производительность механообработки. В основу этой технологии положен так называемый «способ КИБа» (конденсации ионной бомбардировкой). Суть способа состоит в том, что ионы какого-то тугоплавкого материала, например титана, при заданных технологических параметрах разгоняются и внедряются в поверхность обрабатываемого инструмента. При этом поверхностные слои разогреваются до требуемой температуры, и когда она стабилизируется, напускается реактивный газ, например азот. Происходит плазмохимическая реакция, в результате которой образуется очень прочное соединение нитрида титана, осаждаемое на поверхность инструмента с высокой степенью равномерности, при этом обеспечивается очень прочная связь основы и пленки. В результате получается режущий инструмент с новыми свойствами, у которого очень прочная основа и тонкий износостойкий слой покрытия, толщина которого колеблется в пределах 5–8 мкм. Он имеет золотистый цвет, поэтому его часто называют по цвету и за замечательные качества «золотым» инструментом.

Этот инструмент имеет существенные преимущества перед аналогичным инструментом без покрытия: стойкость инструмента повышается до 10 раз в зависимости от конкретных условий его применения (в частности, стойкость сверл увеличивается в 12–15 раз), до 25–30 % снижается потребляемая мощность при обработке, уменьшается сила трения, улучшается качество обработанной поверхности. Резко увеличивается срок службы до окончательного затупления, тем самым снижается себестоимость изготавливаемой продукции.