Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Современные способы производства

Уровень развития способов производства определяется не только техническими возможностями общества, но в решающей степени и эффективностью процесса воспроизводства, то есть размером национального дохода. Развитию техники сегодня способствуют все области естественных наук. Систематическое использование знаний для создания новых и усовершенствования имеющихся способов является общественной необходимостью. Если ранее научное открытие какого-либо эффекта, как правило, намного опережало его внедрение в производство, то сегодня регистрация открытия сопровождается непосредственным анализом его технических возможностей. Если путь от открытия до производства у фотографии длился 62 года (1777-1839), у телефона-56 лет (1820-1876), у радиоприемников-35 лет (1867-1902), а у радаров -15 лет (1925-1940), то транзисторы были созданы через 5 лет после открытия эффекта. Эта тенденция, несомненно, будет продолжаться и в будущем.

Развитие современных способов производства базируется на новых принципах действия и носителях энергии ( 140). Целью является сокращение до минимума затрат живого и овеществленного труда при производстве и эксплуатации изделий. Именно в этом, в рационализации и автоматизации производства, состоит суть современной научно-технической революции. Прежде всего необходимо развивать и внедрять такие способы производства, которые позволяют экономно осуществлять все стадии процесса.

Применение различных эффектов (например, ультразвуковое формование) или использование такого термодинамического фактора, как давление, открывает перед многими процессами новые возможности. Так, советские космонавты своими опытами по сварке открыли новую эру космической технологии. Существующий там вакуум, практически недостижимый на Земле, является неоценимым помощником во многих работах, что наводит на мысль о перемещении некоторых специальных технологий на спутники Земли.

Прогресс в технике высоких давлений может привести в ближайшие годы к промышленному производству модифицированных материалов, полученных при сверхвысоких давлениях. Из эксплуатационных свойств на переднем плане должны стоять твердость и химическая стойкость, но интерес представляют также модификации с полупроводящими свойствами  и   сверхпроводящие   материалы.

Современные технические средства во все большей степени используют различные химические способы и физические эффекты, которые позволяют достигать очень больших концентраций плотности энергии (табл. 31). В таблице дан, конечно, далеко не полный перечень источников энергии, используемых в технологических процессах.

Деление способов производства на современные и традиционные, разумеется, чисто субъективное, так как давно известные способы могут легко превратиться в свой современный вариант. Кроме того, современное производство не всегда самое рентабельное. Во всех случаях должен быть современные способы

выбран такой способ, который при сохранении высокой, отвечающей мировому уровню потребительной стоимости обеспечит. минимальную стоимость изготовления.

Высокоскоростная обработка

Применение высоких скоростей обработки -весьма многообещающий способ, особенно в связи с такими требующими больших затрат проектами, как исследование космического пространства. Все указывает на то, что эти приемы станут очень важными в будущем, во всяком случае для мелкосерийных производств и при обработке специальных материалов. В качестве носителей энергии могут рассматриваться ударные волны, магнитные волны и высокоскоростные твердые режущие инструменты. Ударные волны образуются в различных средах (воздух, вода, песок) за счет детонации взрывчатых веществ, сгорания газо- или порошкообразного горючего, расширения переохлажденных газов или искрового разряда, то есть имеется много вариантов способа. Они применяются в основном при формовании, но встречаются и в подготовительных цехах, а также при разделении, соединении и нанесении покрытий (см.  140).

Самыми известными приемами высокоскоростного формования являются взрывное электромагнитное или электрогидравлическое формование. Скорость и производительность по сравнению с обычными методами увеличиваются на несколько порядков. Во всех этих способах участвует только один инструмент, относительно которого с большой скоростью движется заготовка, подвергаясь формованию за счет силы тяжести ( 141).

Возникающие при детонации взрывчатого вещества ударные волны действуют на заготовку, как правило, через какую-либо передающую среду (чаще всего вода, реже твердый материал), прижимают ее к инструменту и формуют. При достаточно низкой стоимости формовочного инструмента и небольших капиталовложениях этот способ позволяет изготавливать детали сложной формы из трудно формующихся материалов. Формы обычно просты и могут быть выполнены из бетона, пластмасс, твердых пород дерева или эбонита.

При электромагнитном формовании для передачи силы используют магнитное поле. Если в конденсаторе накоплена энергия, до 100 кВт, то при его разрядке в доли секунды создается высокоинтенсивное магнитное поле, которое индуцирует в заготовке противоположно направленный ток. Так как он тоже обладает своим магнитным полем, то на заготовку действуют силы, возникающие при взаимодействии противоположно направленных магнитных полей, и подвергают ее формованию без какой-либо передающей среды.

При электрогидравлическом формовании носителем энергии являются ударные волны, возникающие при подводном разряде. Современные промышленные установки работают с напряжением от 5 до 15 тысяч вольт, а разрабатываются-до 50 тысяч вольт.

Если электромагнитная обработка служит в основном целям соединения и сборки, то взрывное плакирование ( 142) открывает совершенно новые возможности при нанесении покрытий. Таким способом можно соединять материалы, которые не связываются обычными способами. При взрывном плакировании между соединяемыми материалами образуется быстро движущаяся струя пластичного или жидкого металла, которая, образуя на поверхности раздела волнообразные зацепления, ведет к возникновению глубоких и прочных связей. Взрывное плакирование может стимулировать разработку и изготовление новых композиционных материалов.

Известны также скоростные способы в областях подготовительного производства (уплотнение порошков) и обработки (перфорирование), однако их значение не так велико, как в технике соединения и нанесения покрытий.

Скоростные способы влияют и на свойства материалов. Это явление осознанно используется при взрывной закалке. Технологически у взрывной закалки нет ничего общего с термообработкой -заготовка должна быть максимально упрочнена при минимальном изменении формы. Для этого при соответствующих формах заготовки и основания необходимы ударные волны с большой амплитудой напряжений (напряжения сжатия до 150000 МПа). Объем использования взрывной закалки в технике сегодня еще трудно оценить.

Эти специфические технологические приемы дополнят в будущем уже привычные нам методы и будут приобретать все большее значение, обеспечивая реализацию выпавших на нашу долю крупномасштабных проектов.

Плазменная струя

В плазменных горелках газы могут разогреваться до 50 000 К. При этих температурах атомы газа теряют электроны, и возникает ионизированный электропроводный газ, названный плазмой.

На  143 можно увидеть принципиальную конструкцию плазменной горелки. В этих горелках электрическая дуга возникает либо между катодом и охлаждаемым водой сопловым анодом (непрямой способ), либо между катодом и подключенной в качестве анода заготовкой (прямой способ). После зажигания вспомогательной электродуги, которая ионизирует проходящий газ (аргон, водород, азот, их смеси, воздух), возникает основная электродуга, где газ разогревается за счет возрастающих силы тока и напряжения. Вследствие самопроизвольного расширения в начале сопла газ вытекает из него со скоростью звука. Мощность применяемых в промышленности горелок достигает сейчас 120 кВт, а в будущем предусматриваются установки мощностью до 10000 кВт.

Более двадцати лет назад в промышленности были использованы для резки первые плазменные горелки. Сегодня их применяют очень широко. Высокая плотность энергии, большие скорости струи и хорошие теплофизические характеристики плазмы делают этот способ особенно эффективным при резке высоколегированных сталей и сплавов меди с алюминием, то есть материалов, почти не поддающихся автогенной резке.

Техника напыления открыла новые перспективы для плазменных горелок. Ее возможности распространяются от легко распыляемых материалов до тугоплавких вольфрама и молибдена, а также охватывают и чрезвычайно твердые и хрупкие вещества (карбиды, оксиды, нитриды, бориды и силициды), которые раньше удавалось обрабатывать только методами порошковой металлургии. С помощью этого способа их можно распылять и наносить на фасонные заготовки. Нанесенные в плазме покрытия служат в основном для защиты от коррозии, износа и эрозии.

Плазменные горелки можно применять при сварке особо тонких деталей и при наплавлении коррозионно-, жаро- и износостойких материалов. Обволакивающая поток плазмы защитная газовая рубашка затрудняет доступ воздуха, предотвращает окисление и обеспечивает высокое качество .сцепления материалов.

«Снятие стружки», при котором прямая плазменная горелка заменяет токарный резец, еще только начинает развиваться. Высокая температура плазмы расплавляет заготовки на определенную глубину, а жидкий материал удаляется вращением заготовки и кинетической энергией потока плазмы.

Перед плазменными горелками как источником тепловой энергии открыты еще более широкие перспективы. Плазменные плавильные печи для стали уже применяются на производстве. Высокие температуры и кратковременность плавки позволяют достичь качества, которое сравнимо с вакуумной плавкой.

Электронные лучи

Хотя о возможности использования электронных лучей в качестве источника тепла узнали еще в начале столетия, предпосылки для их применения в технике были созданы лишь в последние два десятилетия.

Электроны, испускаемые раскаленным катодом в вакууме порядка 10~4 мм рт. ст., разгоняются путем приложения высокого потенциала (около 120 кВ) и собираются в пучки, причем плотность энергии достигает 109 Вт/мм2. Если такими электронными лучами воздействовать на материал, то электроны проникают в него на глубину около 10 мкм, преобразуя свою кинетическую энергию в теплоту, что вызывает мгновенное плавление и испарение материала. Таким образом, с помощью электронных лучей можно обрабатывать все металлические и кристаллические материалы -снимать поверхностные слои («стружку»), резать, переплавлять, сваривать и спаивать. При этом легко достигаются производительность «строгания» свыше 100 мг/с и скорость сварки около 50 м/мин. Легкая фокусировка электронных лучей до диаметра в несколько микрометров предопределяет их использование при сверхточной обработке, как того требуют микроэлектроника и техника полупроводников.

Электроннолучевые плавильные печи уже много лет применяются в промышленности для плавления тугоплавких металлов и особо ценных по качеству сталей (см. приложение 8а). Легко испаряющиеся источники электронов можно использовать в качестве напыляемых материалов, в частности алюминий для антикоррозионной защиты напыляется на сталь.

Лазер

В 1960 г. был успешно опробован первый лазер, а уже спустя десять лет его применяли при точном измерении длины в строительстве, управлении работой станков, тепловой обработке металлов, ориентации и пеленгации в космическом пространстве, исследовании морей и атмосферы, спектроскопии и медицине. Параллельно изучению самого физического эффекта протекает и исследование его возможностей в технике.

Лазер-это светоусилитель с обратной связью ( 144). Возбуждение стержня у лазера с твердым активным веществом (рубиновый, на неодимовом стекле) или трубки у газового лазера (СО2-, аргоновый) осуществляется путем облучения светом импульсной лампы. Энергия возбуждения активных атомов, ионов или молекул превращается в световую энергию. Распространяющийся вдоль оси свет с помощью зеркала постоянно возвращается, что приводит к усилению света с определенной длиной волны. Пучок света покидает лазер через полупрозрачное зеркало.

В технологии лазерные лучи используют как источник энергии при термообработке материалов. Они могут быть очень сильно сфокусированы (до 1 мкм), причем позволяют достичь таких высоких температур, которых достаточно для испарения любого известного материала. Лазеры применяют при сверлении, резке и фрезеровке тугоплавких и труднообрабатываемых металлов, керамики, кварца, стекла, алмаза, слюды и др. Лазером можно просверлить отверстия диаметром от 1 мкм до 2 мм и глубиной до 3 мм, причем глубина может в десять раз превышать диаметр,-такие отверстия необходимы в часовых механизмах. Лазер пригоден также для сверхточной сварки и спайки. При этом лазер с успехом выполняет в принципе те же задачи, что и электронные лучи, не требуя создания высокого вакуума. Возможности лазера в технологических процессах расширяются-его используют при сварке и резке пластмасс, плавке различных веществ и локальной закалке в микрообластях поверхности.

Химические и электрохимические способы.

Наряду с физическими эффектами в технологии все чаще используются успехи, достигнутые в химии и электрохимии. Из металла.

множества технологических способов, в основе которых лежат химические и электрохимические процессы, мы обратим ваше внимание только на электрохимический унос и электролитическое нагревание-две современные и многообещающие технологии. В настоящее время, правда, их применение ограничивается техникой обработки поверхностей (гальванизация металлов и пластмасс, электростатическое и электро-форезное лакирование, фотохимическое и электрофотографическое травление и печатание).

К электрохимическому уносу относят как электроэрозионную обработку ( 145)-способ, при котором внешний источник тока растворяет подключенный в качестве анода образец, так и травление металлов. Эрозионная обработка протекает либо путем направленного растворения материала заготовки без соприкосновения ее с инструментом, как в случае сверления, фрезеровки, полировки и зачистки, либо при соприкосновении их, как при шлифовке и хонинговании, причем в последнем случае электрохимический унос дополняется механическим. В промышленности применяют электроэрозионную шлифовку и зачистку и электрохимическую полировку. По сравнению с обычными способами обработки этот позволяет снимать материал независимо от его механических свойств без износа инструмента, без разогрева и без возникновения внутренних напряжений. Производительность при этом может достигать 10 см3/мин.

При травлении фасонных деталей из жести или фольги (толщина от 0,003 до 0,2 мм) образец с помощью негатива сначала копируется на жести, покрытой путем окунания или распыления специальным фотолаком, который вытравливается без подсоединения внешнего источника тока.

Хотя способы электрохимического уноса и не могут полностью заменить традиционные методы, они с успехом их дополняют и в будущем, наверняка, сфера их применения расширится. Электроэрозионная обработка применяется не только к материалам трудно поддающимся обработке резанием, но все больше и больше используется для изготовления деталей сложной формы. Травление фасонных деталей вполне отвечает требованиям их миниатюризации и намного превосходит возможности обычной штамповки. В будущем можно будет говорить и о травлении более толстых листов.

Электролитическое нагревание дает возможность с помощью электрического разряда разогреть твердые проводники (металлы, графит) в электропроводящей жидкости (электролит) до температуры порядка 2000 °С. В процессе этого возникает восстановительная среда. Способ интересен как для сварки и спайки, так и для термообработки и, особенно, для диффузионных процессов когда в специально подобранном электролите одновременно с основным процессом диффундирующий элемент (N, С, S, Cr, A1) частично осаждается на детали.

В качестве самого молодого и перспективного способа в технологии обработки поверхностей нужно назвать электрополимеризацию. Этим методом, в основе которого лежат принципы гальванотехники, можно покрыть поверхность металла тонким слоем пластмассы. Особенно важен он при изготовлении тонких изоляционных или антикоррозионных защитных покрытий на металлических деталях.

Ультразвук

Ультразвуковые волны являются механическими колебаниями в диапазоне частот, лежащем выше воспринимаемого человеческим ухом (> 16 кГц). Они, в отличие от электромагнитных волн, распространяются только в материальной среде. Энергия ультразвука в растущих масштабах используется в промышленном производстве.

Современное производство невозможно представить, например, без ультразвуковой очистки. В промышленности можно встретить ультразвуковое сверление деталей самой различной формы из твердых и хрупких материалов (сверлят драгоценные камни, стекло, ферриты, керамику, кремний, германий), а также ультразвуковую сварку металлов и пластмасс.

Ультразвуковая сварка открывает еще более широкий круг возможностей для соединения материалов, не. поддающихся обычным способам сварки или образующих под действием высоких температур жидкую фазу, которая также препятствует традиционным способам соединения. В то время как ультразвуковая сварка пластмасс протекает при подводе тепла, у металлов подобный способ не вызывает образования жидкой фазы, и процесс идет аналогично холодной сварке давлением.

Начинается развитие ультразвуковых способов в технологии формования и при резании. Ультразвуковое резание дает высококачественные поверхности.

Диффузионные покрытия

К коррозионной и тепловой устойчивости и износостойкости материалов предъявляются порой очень высокие требования, выполнение которых во многом зависит от состояния поверхности детали. Часто дешевые материалы, свойства которых улучшены только в определенных поверхностных зонах, с успехом заменяют редкие и ценные. Для этих целей на практике часто используют плакирование, эмалирование, лакирование, гальванизацию, наплавление и т.п.

Диффузионный эффект, то есть способность атомов проникать в твердые тела, привел к еще одному способу обработки поверхностей-к созданию диффузионных покрытий. Для закалки стали в промышленных масштабах ее поверхность обогащают углеродом и азотом путем диффузионного процесса. В принципе существует возможность более или менее обогатить все металлы и сплавы любым элементом в определенной зоне поверхности, если основной материал при достаточно высокой температуре привести в соприкосновение с диффундирующими атомами. Изготавливаются покрытия толщиной от 0,01 до 2 мм, свойства которых зависят от состава и структуры образовавшегося диффузионного слоя. Этим способом можно получать как слои из самых разнообразных сплавов, так и нитридные, карбидные, боридные. Кроме того, можно заставить несколько элементов диффундировать друг за другом или одновременно. Этим достигаются более широкие комбинации свойств. Для повышения устойчивости к коррозии, износу и нагреву наряду с углеродом и азотом в настоящее время применяются также бор, хром, алюминий, цинк и кремний, диффундирующие в металлические материалы. Все еще только разрабатываемые или уже названные здесь способы производства активно включаются в процесс дальнейшей интенсификации народного хозяйства. С их помощью при небольшом расходе основного и вспомогательных материалов, малых технологических потерях и затратах изготавливаются изделия с высокой потребительной стоимостью.