Михаил Васильев - Металлы и человек

Наверное, вы будете удивлены, если узнаете, что валы изготовляют из обыкновенной конструкционной стали, и лишь в некоторых случаях — из низколегированной стали. А «сверхживучими» их делает специальная химико-термическая обработка. С ее помощью сделали очень твердыми поверхностные слои шеек вала, которые испытывают трение в опорах, но пластическим, вязким, способным сопротивляться ударам оставили все остальное тело вала. Эта химико-термическая обработка называется цементацией.

Они сошьют прочный панцирь металла.

Цементация — это внедрение в поверхностные слои стального изделия углерода. Как известно, в холодном состоянии железо может неограниченно долго находиться в соприкосновении с углеродом и ни один атом углерода не проникнет в металл. Десятилетиями возят каменный уголь в металлических вагонах, но состав их обшивки не изменяется, железо остается мягким. Да это и понятно: мы знаем, что железо при комнатной температуре почти не растворяет в себе графита.

Совершенно иной становится картина при нагреве до достаточно высокой температуры. Железо меняет свою кристаллическую структуру и приобретает способность растворять до 2 процентов углерода. К тому же усиливается тепловое движение молекул и диффузия — проникновение молекул одного вещества между молекулами другого — становится особенно активной. За счет диффузии и осуществляется насыщение поверхностного слоя металла углеродом. Тепло как бы открывает светофор молекулам, внедряющимся в металл.

Вот как осуществляется цементация.

Подлежащие цементации изделия очищают от окалины и загрязнений, которые могут оказаться препятствием на пути диффундирующих в металл атомов углерода. Те места, которые не должны подвергнуться цементации, наоборот, защищают специальной обмазкой или покрывают медью ё гальванической ванне.

Затем берут большие стальные ящики. На дно их насыпают слой вещества, содержащего большое количество углерода — чаще всего березового угля, смешанного с углекислым барием. На этот слой укладывают цементируемые детали и засыпают этой же смесью. Ящики закрывают стальными крышками, а щели тщательно замазывают огнеупорной глиной.

Затем ящики ставят в печи и выдерживают их при температуре 900–920 градусов в течение нескольких часов — в зависимости от требующейся глубины цементации. Слой толщиной в 1 мм насыщается углеродом в течение 7—10 часов, в зависимости от температуры в печи.

В последние годы такую цементацию начинает вытеснять газовая. Цементируемые изделия загружают прямо, без всяких ящиков в герметически закрываемую муфельную печь и, после того как температура в ней поднимется до 920–950 градусов, туда пускают какой-либо газ, содержащий углерод, — метан, окись углерода, ацетилен и т. д. Высокая температура разлагает газы, и выделившийся углерод отлагается на изделиях. Молекулы его и диффундируют в металл.

Газовая цементация имеет целый ряд преимуществ. Она дешевле, так как отпадает необходимость в ряде операций подготовки деталей к обработке. Она занимает в два-три раза меньше времени, а значит, требует меньших затрат топлива. Рабочие, ведущие газовую цементацию, заняты более легким и производительным трудом. Все эти причины и объясняют, почему газовая цементация все шире внедряется в самые различные отрасли нашего машиностроения.

Цементация — не единственный из применяемых сегодня на наших заводах видов химико-термической обработки стали. Поверхностные слои стали нередко насыщают одновременно с углеродом еще и азотом. Этот процесс называется цианированием. Он длится всего 10–15 минут. Глубина цианированного слоя колеблется в пределах 0,3–0,7 мм. Насыщают поверхностные слои и одним азотом. Азотирование упрочняет металл и повышает его коррозионную стойкость. И металлы бывает целесообразно ввести в поверхностный слой стали. Для повышения жароупорности ее вводят туда алюминий. Если требуется повысить твердость и коррозионную стойкость, применяют хромирование. В тех случаях, когда надо получить стойкую против действия кислот поверхность, в нее внедряют кремний. Бор вводят для повышения износостойкости, бериллий — жароупорности. Разработаны методы насыщения поверхностного слоя металла ванадием, вольфрамом, молибденом, марганцем, кобальтом, цирконием.

Не только стали, а и многие другие металлы подвергают химикотермической обработке. Так, титан насыщают азотом — это повышает износостойкость его поверхности. Верхний слой молибденовых изделий силицируют — насыщают кремнием — для повышения жароупорности и т. д. и т. п.

Далеко простирает химия руки свои!

Да, конечно, речь идет о чугуне. А младшим братом его назвали не по возрасту: из железа родится сначала чугун, и только потом из него выплавляют сталь. Младший он по роли, играемой в жизни человека.

Но надо поговорить и о нем. Ведь и юн по мере своих слабых сил служит людям, и за его прочность ведут борьбу металлурги.

Чем же чугун отличается от стали?

Химик ответит: большим содержанием углерода.

Инженер-конструктор с горечью заметит, что главное отличие чугуна от стали — это его малая прочность на разрыв и изгиб и неспособность к пластической деформации.

Литейщик, наоборот, с уважением отзовется о чугуне: он обладает лучшими литейными качествами, легче плавится.

А специалист-металлург может прочесть целую лекцию об удивительно полезных качествах, которыми обладает чугун, но которых лишена сталь. Он напомнит, что, во-первых, один из видов чугуна, серый чугун, хорошо обрабатывается резцами — он мягок и дает ломкую мелкую стружку; во-вторых, он очень удобен в тех случаях, когда металлические детали скользят друг по другу (по-инженерному говоря, он обладает хорошими антифрикционными свойствами); в-третьих, чугун хорошо гасит вибрации; в-четвертых, нечувствителен к дефектам поверхности и т. д. и т. д.

Да, все это так. Но главное — прочность. И прав инженер-конструктор, который считает чугун значительно менее ценным материалом, чем сталь.

Металлурги давно пытаются повысить прочность чугуна. Если чугунную отливку охлаждать сравнительно быстро, ее металл приобретет в целом мелкокристаллическую структуру и будет матово-белого цвета, Такой чугун так и называют — белым. Весь углерод в этом чугуне находится в виде цементита— химического соединения железа с углеродом.

Цементит очень тверд, и белый чугун не поддается обработке самыми лучшими стальными резцами. Его нельзя и ковать — он хрупок и от удара молотом раскалывается. Очень мало практических применений имеет белый чугун. Он идет только на переплавку в сталь и передел в другие виды чугуна.