Универсальный инструмент

Мы уже привыкли к тому, что электроника стала символом развития многих отраслей техники, мощным и гибким средством автоматизации и управления различными технологическими процессами и их контроля. Но, оказывается, и мельчайшие электрически заряженные частицы - электроны и ионы - могут также служить рабочим инструментом. Двигаясь в электрическом поле, они способны соединять, деформировать, расплавлять и преобразовывать почти любые материалы. И уже можно сказать, что возникла новая область науки и техники, основанная на использовании электронных и ионных пучков для обработки и преобразования материалов.

Даже знаменитый тульский Левша, наверное, оказался бы в затруднении, если бы ему предложили сделать отверстия или пазы причудливой формы в тех самых гвоздиках, которыми он прибил подковы к стальной блохе: инструмента тогда подходящего не было.

И сегодня все острее испытывается нужда в инструменте, который мог бы производить самую разнообразную микрообработку. В нем нуждаются те, кто создает радиоэлектронные устройства размером с наперсток, те, кто получает искусственные волокна во много раз тоньше человеческого волоса. Ведь для их производства требуются фильеры с миниатюрными дырочками самой затейливой формы - круглые, треугольные, крестообразные... Отверстия диаметром в сотые, тысячные доли миллиметра приходится сверлить в очень твердых, трудно обрабатываемых корундовых камнях для часов и точных приборов. И таких примеров много.

Электронно-ионная технология, многообразная и прогрессивная, имеет несколько присущих только ей достоинств. Первое из них - это универсальность, благодаря чему ее можно применять для обогащения редких руд и для обработки самых различных конструкционных материалов, для сварки, упрочнения и очистки материалов. Второе - непрерывность процесса и возможность самого тонкого его регулирования. Потоки заряженных частиц нельзя остановить, но ими можно управлять.

И еще одно достоинство. Энергия активных частиц во всех технологических процессах непосредственно воздействует на материал. Здесь не нужно предварительно превращать электрическую энергию в тепловую или механическую, а следовательно, нет надобности в сложных аппаратах, необходимых обычно для таких превращений. Наконец, электронно-ионная технология позволяет один и тот же аппарат использовать для различных операций - сварки, упрочнения, очистки и т. д. Все эти особенности делают электронно-ионную технологию экономически выгодной.

На каком же принципе основана обработка электронным лучом и как практически она осуществляется?

Электронный луч - это поток мчащихся с большой скоростью электронов. Широкое внедрение в технику этого универсального "инструмента" стало возможным лишь после создания дешевых и надежных конструкций генераторов и ускорителей электронов - электронных пушек.

Электронно-лучевые пушки большой мощности и оригинальной конструкции созданы под руководством академика АН УССР Б. А. Мовчана в институте электросварки имени Е. О. Патона. Их единичная мощность - от 50 до 200 киловатт. Они могут работать параллельно, создавая огромные мощности. Там, в этом институте работает электронно-лучевая печь с пятью пушками общей мощностью 1000 киловатт.

Для того чтобы электроны не растрачивали энергию на столкновения с молекулами и чтобы не окислялась заготовка, ее вместе с электронной пушкой помещают в глубокий вакуум, где давление примерно в миллиард раз меньше атмосферного.

При встрече каждого электрона с поверхностью заготовки выделяется теплота. В зависимости от мощности, диаметра луча, времени его действия, перемещения выделенная теплота "работает" по-разному: в одних случаях очищает, в других - сваривает, в третьих - сверлит или фрезерует материал.

Создание высококачественных изделий подчас невозможно без особых сплавов, сверхчистых металлов. Они дают возможность резко увеличить срок службы аппаратов, приборов, сделать их более надежными. В Центральном научно-исследовательском институте черной металлургии имени И. П. Бардина разработано несколько способов получения сверхчистых металлов. Один из них - электронная плавка. В цехе экспериментального завода института установлена электроннолучевая печь. Внутри ее камеры медленно перемещается заготовка. На нее обрушивается мощный поток электронов, и металл, расплавившись, каплями стекает в специальный кристаллизатор и застывает. Теперь он чист настолько, что посторонние примеси составляют в нем лишь тысячные доли процента.

С помощью электронной плавки в институте получены сотни видов прецизионных сплавов, которые широко используются в промышленности. Сотрудники института вместе с металлургами внедрили в промышленность сталь новой марки для нужд энергетики. Новая сталь в полтора раза прочнее той, что обычно применялась для генераторов тока. Это, в свою очередь, позволило проектировщикам снизить массу конструкции и одновременно повысить ее надежность.

А вот как осуществляется очистка слитков металла от примесей. Электронный луч, двигаясь вдоль слитка, прогоняет вдоль него расплавленную зону. Если "прочесать" слиток электронным лучом 10-12 раз, то все примеси соберутся на концах слитка, а в середине останется чистый металл. Его чистота - 99,99999999 процента. Такая зонная очистка неузнаваемо изменяет свойства металлов. Обычно хрупкий, вольфрам после электронной очистки можно легко согнуть в кольцо с внутренним диаметром, меньшим диаметра самого прутка. Электронный луч повышает также стойкость металла к коррозии.

Особенно большими преимуществами обладает сварка электронным лучом. С ее помощью можно сваривать любые материалы, даже камни и керамику, такие тугоплавкие металлы, как вольфрам, молибден, рений, ниобий. Основное условие, которое должно соблюдаться при сварке электронным лучом,- примерно одинаковая температура свариваемых материалов. Практика показала, что при электронно-лучевой сварке расходуется в 20 раз меньше электроэнергии, чем, например, при дуговой. Это объясняется тем, что при электронно-лучевой сварке в отличие от других видов сварки не приходится впустую разогревать большие объемы материалов.

Интересна одна из особенностей электронно-лучевой сварки. Оказывается, что этим способом можно варить детали даже сквозь металл, осуществляя сварку внутри узких полостей, куда с обычным электродом не проникнешь. Прожигаемая при этом щель в наружной оболочке детали легко "залечивается" - заваривается тем же лучом.

Этим видом сварки можно выполнять поистине ювелирную работу - сваривать встык тонкие слои фольги. Характерно, что луч в процессе сварки можно перемещать, отклоняя поток электронов магнитным полем, оставляя при этом изделие неподвижным. Усилив мощность луча, можно не только плавить металл, но и испарять его. Электроны при этом как бы "вгрызаются" в заготовку, просверливая мельчайшие отверстия или фрезеруя узкие, как человеческий волос, прорези. При этом глубина проникновения луча может быть в 100 раз больше его диаметра. Огромная концентрация энергии в электронном луче позволяет обрабатывать любые тугоплавкие материалы. Температура в зоне обработки достигает 5000 градусов Цельсия, рядом же с этой зоной температура не превышает 200 градусов Цельсия, и поэтому структура окружающего зону обработки металла не претерпевает существенных изменений.

Свойство электронного луча испарять любые тугоплавкие металлы используется в технике для напыления пленок. Такие пленки толщиной в десятки тысячных долей миллиметра получают на стекле, слюде, керамике, пластмассе и даже бумаге. Тончайшие пленки прозрачны и, будучи нанесены на зеркала телескопов или других оптических приборов, намного расширяют их возможности. Методом напыления можно изготовить и сверхминиатюрные триоды.

Электронно-ионная технология успешно применяется наряду с традиционными химическими и термическими методами обработки материалов с целью их упрочнения.

Чтобы добиться высокой прочности и долговечности обработанных стальных деталей, их подвергают обычно химико-термической обработке - цементации и азотированию. В первом случае их насыщают с поверхности углеродом, во втором - азотом.

Азот и углерод, соединяясь с железом, образуют как бы твердую оболочку, в которой заключена мягкая сердцевина. Полученная таким образом деталь не боится ударов и одновременно прекрасно работает на истирание.

Однако цементация и азотирование имеют один существенный недостаток. Эти процессы протекают очень медленно. Так, процесс азотирования, как правило, длится не менее 100 часов. Ведь атомы азота не торопятся погрузиться в сталь. Чтобы ускорить процесс, надо максимально увеличить скорость диффузии. В этом случае применяют как называемую ионную бомбардировку - ионное азотирование. На этом и основан новый ускоренный метод химико-термической обработки - вакуумно-плазменная технология.

Новый метод позволяет упрочнять поверхность металла не только азотом, но и другими элементами, которые можно "впрыскивать" в деталь посредством ионной бомбардировки. При этом можно азотировать детали на значительную глубину, покрывать их толстым износоустойчивым слоем.

Иногда поверхность деталей приходится насыщать не только азотом и углеродом. Если нужно уменьшить, например, трение, то прибегают к сульфидированию, т. е. к насыщению металла серой. Оказывается, и этот процесс можно ускорить электронно-химическим способом, комбинируя электроискровую обработку с насыщением поверхности металла серой.

Большой вклад в создание прогрессивной вакуумно-плазменной технологии, получившей название "Способ КИБ", внесли ученые Харьковского физико-технического института АН УССР. Они разработали технологию упрочнения инструмента и создали для этой цели оригинальные установки "Булат-2" и "Булат-3".

Резцы, сверла, фрезы укладываются в кассеты-контейнеры, которые ставятся в камеру "сепаратора". Здесь создается глубокий вакуум и включаются плазменные ускорители, а на инструмент и титановый катод, имеющийся в камере, подается высокое напряжение. Начинается бомбардировка инструмента пучками быстрых ионов. Так очищается его поверхность. Затем напряжение снижается, и в камеру поступает сухой азот. Бушующая титановая плазма, соединяясь с азотом, образует на поверхности инструмента пленку нитрида титана толщиной 5-8 микрометров, которая имеет вид золотистой корочки. Это и есть облицовочный материал. Он прочно прирастает к "телу" инструмента и делает его необычайно стойким и твердым.

Вакуумно-плазменная технология упрочнения инструмента повышает его износостойкость в три - пять раз. Перед нитридно-титановой пленкой пасует даже корунд.

Оболочка не мешает неоднократно затачивать инструменты, в том числе резцы.

Сегодня ученые "учат "Булат" бронировать" различные изделия. Установлено, что покрытие их пленкой нитрида молибдена позволяет значительно уменьшить массу конструкции, намного удлинить срок службы изделий. Для этих целей ученые создали универсальную установку "Булат-4".

Электроника только раскрывает свои возможности в металлообработке, которые поистине неисчерпаемы. Ей принадлежит великое будущее.