Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Из чего строить машину, или виден ли конец железного века?

Рассуждая о машинах, об их прошлом и немного о будущем, мы упоминали большей частью металлы, и прежде всего сталь — сплав железа с углеродом, да еще легкий алюминий и очень прочный титан. Если поразмыслить немного, то можно будет вспомнить медь, хорошо проводящую электрический ток (поэтому из нее делают провода), серебро, проводящее ток еще лучше (из серебра делают контакты в приборах), а также медные сплавы — латунь и бронзу. В справочниках по машиностроению упоминаются еще сплавы магния, столь же легкие, как алюминиевые, и потому часто применяемые в авиации, а также тяжелый свинец, легкоплавкое олово, блестящие хром и никель...

Все это металлы, главные на сегодняшний день материалы для машин. Если уподобить их оркестру, то первую скрипку будет играть, безусловно, железо. Оно принимает два главных обличья: стали (когда в него добавлено немного углерода) и чугуна (когда углерода побольше). Из сплавов железа делают тысячи непохожих вещей — от громадной балки, по которой вдоль цеха ездит взад-вперед тяжеленный мостовой кран вместе с грузом, до тончайшего прокатанного листа, сравнимого по толщине с папиросной бумагой.

С давних времен существует традиция: называть век по главному его материалу. Был когда-то каменный век, ему на смену пришел бронзовый, потом — железный. Случилось это многие сотни лет назад. С тех пор появилось множество новых материалов, но мы обязаны все же признать, что железный век еще продолжается. Хорошо это или плохо? Вопрос поставлен неверно.

Это необходимо, потому что человечество не может обойтись без чугуна и стали. Вопрос надо задать по-другому: есть ли у железа конкуренты? И если есть, могут ли они его потеснить? Обрати внимание — не вытеснить, а именно потеснить. Зачем же отбрасывать то, что хорошо само по себе? Когда услышишь или прочтешь где-нибудь, что вот, мол, настал век пластмасс, то не принимай этого сообщения безоговорочно.

Пластмассы пришли, чтобы занять место рядом с металлами. Пластмасса и металл друг друга не исключают. Они друг друга дополняют. Чем же хороши пластмассы в машинах? Тем, что они очень легкие, зачастую не требуют смазки, бывают и жесткими, и гибкими, прозрачными, яркими, гладкими, шероховатыми — словом, такими, какие нужны конструктору.

Свойствами пластмасс можно управлять заранее, создавая в лаборатории и на химическом заводе именно такой материал, какой требуется сегодня машиностроителю. Если, конечно, это принципиально возможно. Пластмассы способны на многое, но, к сожалению, не на все. По прочности их не сравнить все же со сталью. Вот, скажем, полистирол, из которого делают авторучки. Красив, приятен на ощупь, да слишком хрупок: уронишь ручку — того и гляди, сломается. Для телефонных аппаратов делают другой полистирол — ударопрочный, но и он может растрескаться, если аппарат выронить из рук. Как сделать из такого пластика автомобиль или станок? Никак. А вот отдельные детали, которые не подвергаются ударным нагрузкам, сделать можно.

Отчего же машиностроители смотрят с надеждой на пластические массы? Оттого что они очень легкие. И еще по той причине, что есть способы, которые позволяют сделать пластики гораздо прочнее. И тогда они смогут конкурировать даже со сталью.

Суть этих способов кратко можно объяснить так: пластмассы усиливают волокнами. Самыми разными — из стекла, из углерода, из металла и т. д. Тогда получается материал, чем-то напоминающий железобетон. Ты знаешь, что это такое? Если нет, поясню: внутри бетона находятся стальные прутья, металлический каркас, который делает конструкцию в несколько раз прочнее. Из железобетона готовят стены домов и цехов, колонны, перекрытия зданий, строят мосты и тоннели. Сталь, спрятанная внутри (ее называют арматурой), не дает более хрупкому бетону рассыпаться, разломаться.

Задолго до того, как люди придумали бетон, они уже умели армировать материалы. Наверное, первыми пошли по этому пути древние египтяне, когда они стали упрочнять глиняные кирпичи соломой. Ее смешивали с глиной, тщательно уплотняли кирпич и обжигали в печах.

Примерно так же поступают с современными пластмассами. Армированное изделие появляется на свет в результате трех последовательных действий. Первое действие: волокна (понятно, не соломенные) выкладывают в том направлении, которое задано конструктором. Второе действие: волокна пропитывают полимерным связующим материалом, тем самым веществом, которое вскоре превратится в пластик. И третье: собранную конструкцию подпрессовывают, чтобы она приняла окончательную форму, а иногда еще и подогревают. Вот и все. Заметь: никаких отходов, никакой стружки, несложное оборудование — а значит, прекрасная возможность для полной автоматизации.

Материалы, о которых я тебе только что рассказал, называют композиционными, или, краткости ради, просто композитами. Кирпич, набитый соломой, тоже можно отнести к композитам. Но мы говорим о современных пластмассах. А они, в отличие от кирпича, не уступят в прочности даже металлу. Но главное, пожалуй, в том, что у композитов есть особое свойство, металлам не присущее.

Заметил ли ты, что волокна в композитах кладут не как попало, а в том направлении, которое предписал конструктор? Это чрезвычайно важно. Обычные материалы — и металлы, и многие пластмассы — изотропны, то есть их прочность одинакова во всех направлениях («изос» — по-гречески означает «одинаковый», «равный»). А вот композиты анизотропны («анизос» на том же языке — «неравный»). Имея в распоряжении анизотропный материал, конструктор может усилить деталь именно там, где ей грозит опасность разрушения, где самые большие нагрузки. Он предложит уложить армирующие волокна либо вдоль детали, либо поперек, либо под любым заранее заданным углом, а может быть, крест-накрест или как-то иначе — словом, так, как нужно. Тогда деталь получится равнопрочной. То есть она потребует при заданной прочности наименьшего количества материала. В нашем случае — композиционного материала.

Не хотелось бы, чтобы ты подумал, что все это теоретические рассуждения. Напротив. Такие композиты, как текстолит (на основе текстильных волокон) и стеклопластик (на основе стеклянных волокон) существуют уже несколько десятилетий. Ими охотно пользуются машиностроители. Из текстолита делают, например, детали различных приборов, из стеклопластика — кузова грузовых автомобилей, лопасти вертолетов, корпуса катеров, шесты для легкоатлетических прыжков, даже удочки. В 1984 году впервые поднялся в воздух сверхлегкий самолет, полностью сделанный из пластмасс. Его фюзеляж, крылья и оперение — из композитов, только на основе не стекла, а очень прочного химического волокна «кевлар». Это не какой-нибудь игрушечный самолет, а самый настоящий: развивает скорость до 765 км/час, может пролететь без посадки 4700 км, и на 100 км пути тратит всего 16 литров горючего — чуть больше, чем автомобиль «Волга».

Почему он так мало сжигает горючего? Оттого что он очень легок, этот самолет. И легкость не сказывается на его прочности. Если сделать композит из «кевлара» того же веса, что лист обычной стали, то пластмасса окажется в пять раз прочнее. Справедливо и обратное: при такой же прочности, как у стали, композит будет впятеро легче... Говорят, что композиты будущего станут во много раз прочнее нынешних. Случится это тогда, когда найдут способы, как без больших (сегодня — очень больших!) затрат денег и времени получать волокна сапфира, бора, нитридов и карбидов. Возможно, сегодня эти названия тебе ничего не говорят. Что ж, такие композиты и впрямь дело завтрашнего дня. Хотя в особых случаях их используют уже сегодня, например, в космической технике.

Кстати, в том сверхлегком летающем велосипеде, о котором здесь уже рассказано, есть детали из боропластиков.

А вот материал на основе углеродных волокон получил большое хождение уже в наши дни. Углерод, как известно, существует в трех основных видах: прозрачного кристаллического алмаза, черного слоистого графита и сыпучей, бесформенной сажи. Но можно сделать так, что молекулы углерода образуют не слои и не кристаллы, а волокна. Эти волокна можно выложить в заданном порядке, пропитать полимерной смолой, придать детали нужную форму — и получится углеродный композит. Он настолько прочен, что из него можно изготовить раму и кузов автомобиля, карданный вал, который передает движение от двигателя к колесам, даже сам двигатель! Ну, если не весь двигатель, то главные его детали: блок цилиндров, головку блока, поршни и шатуны. В общем, есть уже экспериментальный двигатель, который на две трети состоит из композитов... Но только ли ради экономии металла машиностроители обращаются к композитам? Нет, есть и другие причины. У новых материалов выше стойкость к ударам, а значит, машина работает надежнее. Меньше расход горючего. Меньше шум и вибрация — в машине приятнее ездить. Кузов не ржавеет — значит, автомобиль служит дольше. А изготовить его проще, чем металлический.

Хорошо ли все это? Какие могут быть сомнения! Так отчего же мы пока встречаем композиты гораздо реже, чем металлы? Не будем забывать о стоимости. Хорошие композиты пока еще очень дороги. Их употребляют только там, где без них трудно (или вовсе невозможно) обойтись.

Пластмассовый самолет — это пока скорее реклама новых материалов, нежели массовая машина для перевозки пассажиров. Пластмассовый двигатель ставят пока только на гоночные машины. Автомобиль из углепластика тоже влетит в копеечку. А вот стеклопластиковые кузова уже можно встретить на серийных легковых автомобилях. Но в общем и целом многообещающие композиты используют в тех случаях, когда конструкторам разрешают не считаться с расходами. Долго ли будет так продолжаться?

Попробуем поискать пример в истории техники. Вот он, под рукой. Лет сто назад алюминий считался едва ли не драгоценным металлом. Во всяком случае, он стоил дороже серебра, и алюминиевая ваза была редкостным подарком. Сегодня алюминиевая ложка стоит копейки. Не произойдет ли нечто подобное и с композитами? Непременно произойдет. За десять последних лет они подешевели раз в двадцать. Если дело пойдет такими темпами, то еще через десяток лет из композитов станут делать пылесосы и стиральные машины... Выходит, что железному веку все-таки приходит конец? Кое-кто так считает, и недавно на одном международном конгрессе докладчик, вдохновленный победным шествием композитов, с пафосом произнес: «Мы пройдем век металла так же, как прошли каменный век!»

Вряд ли такое случится. Разве новое обязательно отменяет старое? Если алюминий не вытеснил железа, то почему композиты вытеснят и железо, и алюминий? Конца железного века пока не видно. Да и наступит ли он вообще? Люди далеко не исчерпали возможностей металлов. Железный век длится уже много столетии, но о самом железе известно далеко не все. У него открывают все новые свойства, которые сулят и новые применения. Например, в Институте металлургии им. А. А. Байкова стали добавлять к чугунам так называемые редкие земли — церий, лантан и т. п. В результате удалось заменить стальные валы чугунными. Чем это лучше? Стальные валы приходится ковать, а чугунные можно отливать в форму. Это намного дешевле. А прочность ничуть не хуже, чем стальных. Еще примеры? Пожалуйста. В Киеве, в Институте химии высокомолекулярных соединений, создали клей, который может заменить электрическую сварку. Им можно соединять металлические детали даже под водой. Например, ремонтировать днища судов или склеивать трубы, когда прокладывают трубопроводы по дну рек и озер.

Вообще строительство трубопроводов стало сейчас очень важной проблемой. Большую часть нефти и газа добывают далеко на Севере нашей страны, потом их перекачивают к промышленным районам, а в тысячекилометровом газопроводе хотя и редко, но все же изменяется давление. Пусть даже один раз в день. В таком случае за год нитка трубопровода испытывает перемену нагрузки 365 раз, и сталь, из которой сделаны трубы, понемногу устает. Но чтобы труба из-за этого порвалась?

И все же так бывает. Совсем недавно доктор технических наук Анатолий Петрович Гусенков и его коллеги установили, что такая малость, как перепад давлений в течение суток, вполне может со временем разорвать стальную трубу. Сейчас металловеды ищут добавки к сталям, которые снизят или вовсе снимут усталость. Тебе не показалось любопытным, что к металлу применимы те же слова, что и к живому организму, например, «усталость»? Вот еще одно слово такого рода: «гибрид». Действительно, существуют гибридные конструкции. Они напоминают композиты, только в них одна часть — из металла, а другая — из какого-либо другого материала, обычно из пластмассы. Знаешь, что такое «сэндвич»? Два тонких ломтика хлеба, а между ними прослойка — сыра, колбасы, овощей. Два слоя металла, а между ними пластмасса (что-то вроде сэндвича) — очень хороши для машин. Из них делают, скажем, обшивку судов и самолетов. Такие трехслойные (а иногда и четырех- и пятислойные) конструкции не только легче сплошных. Вдобавок они «гасят» нагрузки, смягчают удары: нагрузки, переходя от слоя к слою конструкции, как бы вязнут и затухают, словно удар пришелся в подушку.

И все же — на каком материале остановить свой выбор конструктору? Заранее этого сказать нельзя. Выбор материала — творческая работа. Конструктор каждый раз должен решать, что важнее в том или ином конкретном случае — прочность, гибкость, нарядный вид, стойкость к дождям и ветрам? А может быть, в первую очередь надо принять во внимание, сколько времени машина работает, а сколько стоит без дела? И действительно, хлебоуборочный комбайн работает только несколько недель в году, а остальное время простаивает, дожидается очередной жатвы. Нередко он стоит под открытым небом, потихоньку покрываясь ржавчиной. Может быть, надо поставить на комбайн пластмассовые детали, которые вовсе не ржавеют? Но композиты для комбайна пока слишком дороги, а обычные пластмассы заметно снизят прочность машины. Значит, отдать предпочтение стали? Но тогда машина раньше времени проржавеет и выйдет из строя...

Такие вот противоречивые задачи каждый день встают перед конструктором. Подобно витязю на распутье, он должен принять единственно верное решение и пойти правильной дорогой, потому что ошибка обойдется недешево. И все- таки до недавнего времени такие ошибки то и дело возникали. Инженеры пытались предохранить машину от случайных ударов — и делали ее слишком тяжелой, закладывали излишек металла. В другой раз хотели достичь равнопрочно- сти, но выдумывали для этого такую хитроумную конструкцию, что на заводах не брались ее сделать. На чертежах все выглядит проще, чем в металле...

Разумеется, конструкторов за такие ошибки ругали, но в конце концов прощали. Ведь очень трудно совместить в одной машине столько противоречивых требований.

Теперь, когда в распоряжении конструктора есть компьютеры, или, что то же самое, ЭВМ (электронные вычислительные машины), ошибки встречаются все реже. Вычислительная техника с ее гигантской электронной памятью, быстродействием и способностью решать запутанные задачи может пересмотреть многочисленные варианты и выбрать тот, который наилучшим образом отвечает требованиям дня. Более того, с помощью вычислительной машины инженер «разыгрывает» разнообразные ситуации, вступает с ней в диалог, спорит и задает вопросы. И ясно видит, что приобретет и что потеряет создаваемая им конструкция. Тут же, что называется, с ходу, вносит изменения в свое детище, сразу же проверяет их на компьютере: полезны ли они, не сделают ли машину чрезмерно дорогой или слишком неуклюжей? А когда вся конструкция будет таким образом отработана, ЭВМ выдаст чертежи деталей и узлов.

Может быть, ты подумал, что это просто-напросто отрывок из научно-фантастического романа? Ничуть не бывало. Именно так работают сейчас в лучших конструкторских бюро. Когда закладывают в компьютеры специальные программы, то обязательно вводят условие: получить надежную машину с минимальным расходом металла!

О том же думают не только создатели новых комбайнов, автомобилей и прессов. Это общая для всего машиностроения проблема, и она затрагивает самые основы переработки металла. Вот в чем ее суть. Когда на токарных, фрезерных, сверлильных или строгальных станках делают те или иные детали, то значительная часть металла уходит в стружку. Конечно, стружку не выбрасывают, а прессуют в кипы и увозят на металлургические заводы для переплавки. Но все равно это немалые расходы и лишние хлопоты. А нельзя ли без стружки?

Можно, если пользоваться методом порошковой металлургии. Процесс выглядит на удивление просто. Порошок металла (или смесь порошков, если речь идет о сплаве) засыпают в форму и очень сильно нагревают под давлением. Масса спекается в одно целое, и это «целое» — как раз деталь, которую нужно изготовить. Не требуется ни резцов, ни фрез, ни сверл, ни другого режущего инструмента. И не образуется никакой стружки: весь металл превращается в готовое изделие.

Такой способ изготовления деталей получает все большее и большее распространение в машиностроении. Но вот появился уже и начал пробивать себе дорогу еще более современный метод, который я бы назвал не изготовлением, а синтезом детали. Расскажу о нем подробнее.

Несколько лет назад в небольшом подмосковном городке Черноголовка мне показали простой опыт. К маленькому сероватому столбику, спрессованному из смеси двух металлических порошков, подвели тонкую проволочную спираль и включили ток.

Раскаленная спираль ярко засветилась — верхушка столбика вспыхнула и мгновенно раскалилась добела. Ослепительно белая светящаяся волна прокатилась сверху вниз и тут же погасла. Прошло не более секунды, а столбик вновь стал серым и невзрачным — с виду точно таким, как до начала опыта. На самом деле, однако, он стал совсем другим» Вместо смеси двух металлов передо мной был удивительный сплав их...

Технике наших дней, а еще больше технике будущего требуются вещества с самыми неожиданными свойствами. Одни должны выдерживать немыслимый жар, другие — не бояться самых едких кислот, третьи — отличаться особой твердостью. Такие вещества есть, это соединения металлов с бором, углеродом, кремнием, азотом. У них нехитрые химические формулы, которые ничего не стоит запомнить. Скажем, ТЮ — карбид титана. Но получать их неимоверно сложно и дорого. Готовят такие вещества в мощных печах, и уходят на это многие часы.

Тем и поразителен простой опыт, свидетелем которого я стал, что в нем такие вещества, такие незаменимые химические соединения получаются мгновенно, в буквальном смысле слова.

И дрова в печке, и уголь в топке, и порох в патроне при сжигании выделяют газы. Такое горение хорошо изучено наукой. Но есть и другое горение — без дыма и языков пламени, — когда два или несколько твердых веществ сгорают друг в друге, соединяясь при этом прочными химическими узами. Его и стали изучать в Черноголовке, в Институте химической физики Академии наук СССР. И обнаружили, что, умело подбирая «горючее», можно получить сотни веществ, необходимых машиностроению, химии, энергетике. Получать быстро, просто, я бы сказал, изящно. Созданный в институте метод получения этих веществ назвали СВС — самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Самораспространяющийся — потому что стоит поджечь столбик, и волна горения сама добежит до другого его конца.

Высокотемпературный — потому что такое горение жарче, чем в любой печи. А это очень важно: выгорают и испаряются все ненужные примеси — получаются вещества высочайшей чистоты.

То, что на лабораторном столе кажется предельно простым и великолепно получается, в огромном заводском цехе нередко оказывается сложным, дорогим, капризным, ненадежным. И я поделился своими сомнениями с одним из создателей метода СВС доктором физико-математических наук А. Г. Мержановым.

Александр Григорьевич пригласил меня в мастерскую по соседству с лабораторией. На полу там стояли реакторы — полутораметровые металлические трубы, смахивающие на старинные крепостные пушки. Одну из них у меня на глазах зарядили смесью сажи и титана, плотно завинтили крышку и включили запал. Но выстрела не последовало. Не было ни дыма, ни огня. Потом пушечке дали немного остыть, отвернули крышку, и прямо на пол из пушечного жерла съехала серая матовая чушка, весом, должно быть, с двухпудовую гирю.

«Вот вам и готовая продукция— карбид титана, — сказал мне А. Г. Мержанов. — Она не требует даже очистки. Можно сразу пускать в дело: готовить детали, твердые сплавы — все что нужно». Наконец, третий опыт, который мне показали в Черноголовке. Вернее, даже не опыт, а законченный, отработанный способ изготовления деталей из чрезвычайно твердых и хрупких соединений. Из-за твердости и хрупкости их практически невозможно вытачивать на станках, поэтому обычно их спекают из порошков в формах, тем самым методом порошковой металлургии, о котором ты уже знаешь. Но для порошковой металлургии нужны печи, высокие температуры, большие расходы энергии. Дело это все- таки непростое, а пока и довольно дорогое. А тут...

В пресс-форму насыпали исходные порошки и нажали на кнопку, которая одновременно приводит в действие электрический запал, поджигающий смесь, и гидравлический пресс. Пресс грохнул всей своей стотонной мощью по пресс-форме, и рабочий выхватил щипцами готовую, еще малиновую от жара деталь, бросил ее в ящик с песком— остывать. Разве это не поразительно — одновременно, что называется, одним махом получается материал, из которого должна быть сделана деталь, и сама готовая деталь! А можно сказать и иначе: это чудо современной техники — не просто химический синтез вещества, а настоящий синтез детали. Без стружки, без каких бы то ни было отходов...

Метод СВС еще не раскрыл всех своих возможностей: ученые и инженеры ищут и находят ему все новые и новые удивительные применения. Но на съезде партии он уже был назван среди самых важных и нужных технологий двенадцатой пятилетки, среди технологий завтрашнего дня.

Немного раньше речь шла о трубопроводах. Они требуют очень много металла. Трубы нужны прочные, с толстыми стенками, чтобы выдержать давление перекачиваемых продуктов. На трассе приходится ставить десятки насосных станций, которые проталкивают нефть и газ по трубопроводу, а каждая такая станция — это тоже сотни тонн металла. И вот появляется новое поколение механизмов, совершенно не похожих на насосы, но тем не менее способных перекачивать жидкости на далекие расстояния. Их называют вибрационно-колебательными. Они заставляют колебаться, дрожать сами стенки трубы, на сей раз довольно тонкие. Подрагивая, сжимаясь и распрямляясь, стенки сами гонят нефть вперед. Работа идет не хуже, чем с насосами, а металл экономится в огромных количествах.

Химики не отстают от нефтяников. В Институте катализа Сибирского отделения Академии наук СССР придумали совершенно новые способы сжигания топлива. Оно не просто горит в воздухе, а горит, если можно так сказать, целенаправленно. Этому способствуют мельчайшие частички особого вещества — катализатора. Они резко ускоряют горение газа, мазута, угольной пыли — словом, любого горючего, на котором работают тепловые электростанции и котельные. Эти частицы все время находятся во взвихренном, как бы в кипящем виде. Топливо соприкасается с «кипящей» массой, она помогает ему соединяться с кислородом воздуха, и топливо сгорает мгновенно и легко. Горение идет очень быстро. Специалисты говорят, что это самый экономный способ сжигания. Или, если хочешь, самое правильное горение.

При чем тут экономия металла? А при том, что на аппарат с «кипящим» катализатором уходит вдвое меньше металла. И ему не нужны всякие дополнительные устройства, которые окружают котлы на тепловых электростанциях. Общий расход металла снижается втрое. Ай да химия!

А выработка электроэнергии? При температурах, близких к абсолютному нулю (напомню: абсолютный нуль — это минус 273° по Цельсию, температуры ниже этой просто не бывает), металлы начинают передавать электрический ток легко и свободно, практически без какого бы то ни было сопротивления. Это явление носит название сверхпроводимости. Недавно найдены такие материалы на основе керамики, которые проводят ток без сопротивления при гораздо более высоких, хотя и минусовых температурах. На их основе можно сделать очень экономные и очень мощные генераторы электроэнергии. Но если сопротивления почти нет, значит, можно резко уменьшить размеры машины и сэкономить большое количество стали и меди.

Куда же направить этот сэкономленный металл? Думаю, что с этим сложностей не возникнет. Хотя в нашей стране выпускается очень много стали, чугуна, алюминия, меди, магния и прочих металлов, все же потребность народного хозяйства пока удовлетворяется не полностью. Поэтому всякая экономия — на пользу.

Как видишь, до конца железного века еще далеко. И вообще, это вопрос спорный — надо ли называть эпохи по главным материалам. Ведь может случиться так, что одного, главного, вообще не будет. Что же тогда — называть век железно-алюминиево-пластмассово-композитно-керамическим?..

Михаил Кривич - "Машины учатся ходить"
Рецензенты: Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор И. Л. Варшавский;
Доктор технических наук, профессор А. Е. Кобринский

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика