«Эврика» 1980. ПРИРАСТАТЬ БУДЕТ СИБИРЬЮ

Упрочнение металлов взрывом и сварка взрывом

В 1960 году Новосибирский стрелочный завод обратился к нам, в Институт гидродинамики, с просьбой придумать что-нибудь для упрочнения железнодорожных стрелочных крестовин.

Самая уязвимая часть стрелки — сердечник крестовины (это клин, который укладывается на пересечении рельсов). Под ударами вагонных колес он быстро изнашивается. Если стрелка служит 3—3,5 года, то крестовина выходит из строя в три раза быстрее. Между тем скорости на железных дорогах растут, появляются новые мощные локомотивы, большегрузные вагоны. А ежегодная замена стрелок — это и потери металла, и перебои в движении поездов. Как же упрочнить стрелку?

Известен старый, дедовский способ отбивать косу — при этом повышается твердость режущей кромки косы, и она дольше не тупится. Упрочнить металл можно двумя путями: или добиться идеальной структуры его кристаллической решетки, так как любой дефект в этой структуре оказывается зародышем будущих деформаций и трещин, либо, наоборот, заранее деформировать эту структуру динамическими нагрузками, например резкими и сильными ударами.

Попытки заводчан упрочнять стрелки механическими способами (прокаткой роликами, ударами пневматического молота) были неудачными — трудоемко, дорого, долго. И тогда мы впервые попробовали использовать для этой цели взрыв. Сотрудники института А. А. Дерибас, Ю. А. Тришин, Е. И. Биченков быстро провели нужный опыт. Обработанная взрывом стрелка была поставлена на путь, и через полгода стало ясно, что она может служить почти в два раза дольше, чем обычная, не подвергшаяся обработке взрывом. Конечно, это было не так просто. Потребовалось тщательное исследование воздействия взрыва на материал сердечника, конструирование специальных взрывных камер.

Упрочненные в лаборатории сердечники — а их было больше тысячи — прошли испытание практически на всех дорогах страны. Эта работа завершилась пуском на Новосибирском стрелочном заводе первого в нашей стране, да и в мире, опытно-промышленного цеха по упрочнению изделий во взрывных камерах. За одну стотысячную долю секунды взрыв упрочняет поверхностный слой высокомарганцовистой стали стрелочной крестовины на глубину до 40 миллиметров. Весь цикл обработки сердечника занимает 25 минут. Стойкость изделий возрастает в полтора раза. Каждая такая камера — а их сейчас шесть — может экономить в год до миллиона . рублей. А весь цех обошелся в 2,5 миллиона рублей. Прекрасно, не правда ли?

Но, когда я читаю сообщение об этом на первых полосах центральных газет, меня не оставляет чувство горечи. Я не могу забыть, каким тернистым, каким бессмысленно долгим оказался путь до первых партий крестовин, упрочненных взрывом, до специального цеха на Новосибирском стрелочном заводе. Сейчас даже стыдно об этом вспоминать: от разработки технологии до ее запуска на заводе прошло 15 лет! Испытания и обсуждения, изучение и рецензирование то в отраслевом НИИ, то в главке, то в министерстве тянулись бесконечной чередой; едва выбили средства на проектирование цеха, как оказалось, что нет свободных проектировщиков... Из-за бюрократической волокиты наше государство, обладающее самой мощной в мире железнодорожной сетью, потеряло миллионы, десятки миллионов рублей.

Теперь упрочнение взрывом уже увереннее продвигается в промышленность. С его помощью можно увеличивать стойкость экскаваторных зубьев, бульдозерных ножей, рабочих органов дробилок. Такие участки уже работают на Кузнецком металлургическом комбинате, в Кривом Роге, в Мирном.

Разработка метода упрочнения случайно привела к новому научно-техническому открытию. Желая усилить эффект и избавиться от возможных при взрыве нарушений поверхности металла, попробовали упрочнять стрелку, метая на нее взрывом металлическую пластину. При опытах неожиданно обнаружилось, что иногда металлическая пластина намертво прилипает, приваривается к стрелке. С этим нежелательным эффектом пытались бороться, но отодрать пластину от стрелки часто было абсолютно невозможно. Однажды во время осмотра такого образца в лабораторию зашел сотрудник из отдела прочности, посмотрел и воскликнул: «Товарищи, это же новый метод сварки!» Оценка, данная этому явлению специалистом по прочности, хорошо знакомым с обычной сваркой, сыграла огромную роль и явилась примером того, как важно в коллективе (или рядом) иметь ученых и практиков разных специальностей.

За разработку теории и практики сварки взрывом взялась лаборатория А. А. Дерибаса. Выяснилось, что при соударении двух металлов во время взрыва возникает такое давление, что прочностные свойства металлов становятся несущественными, в узкой зоне, примыкающей к поверхности контакта, металлы ведут себя как жидкости. На эту мысль наталкивала и картина шва — он имел вид застывшей волны. (О странной, но плодотворной идее — считать сталь жидкостью — подробно будет рассказано в главе «Парадоксы взрыва».)

Случайно сделанное открытие оказалось настолько удачным, что как из рога изобилия посыпались новые технологии. Чем дальше продвигались исследователи, тем больше новостей они узнавали. Сварка взрывом обладала рядом огромных преимуществ по сравнению с традиционными методами: холодной сваркой, наплавкой, совместной прокаткой.

Первое: она могла соединять не только сталь со сталью, но и производить десятки других сочетаний, которые ранее сварке не поддавались, например, сталь плюс титан, сталь плюс медь, медь плюс титан. Позднее научились даже получать соединения металла с керамикой. При этом "можно было получать не только биметалл (соединение двух металлов), но и многослойные композиции.

Второе: место соединения различных металлов получалось, как правило, прочнее, чем слабейший из металлов в отдельности: при испытаниях рвался металл, но не место сварки.

Третье: свариваемые детали могли быть больших размеров (при холодной сварке, например, рабочий участок должен быть не более десятка квадратных сантиметров, а если нужны листы метровых размеров?), а также криволинейной формы.

Четвертое: обычно перед сваркой требовалось тщательно очищать соединяемые поверхности, чтобы убрагь мешающие пленки окислов и микронеровности. А взрыв своим огненным дыханием «сдувал» с поверхностей все лишнее.

Пятое: при сварке все процессы соединения металлов происходят в течение стотысячных долей секунды. Поскольку подготовка к взрывному процессу также не требует много времени, то можно считать, что производительность этого способа превышает другие в десятки и сотни тысяч раз.

А что самое главное — открылась возможность создавать с помощью взрыва новые многослойные материалы, сочетающие механическую прочность с химической стойкостью, антикоррозийной устойчивостью и другими ценными качествами.

В процессе работы и бесед со специалистами стало ясно: сварка взрывом может дать огромный экономический эффект. Нержавеющую сталь, нужную, например, для химических реакторов, но дорогую и дефицитную, теперь стало возможным заменить обычной и только тонкий внутренний слой в установке сделать из нержавеющей. Получится реактор с теми же качествами, но в 5—10 раз дешевле.

Или другой пример: сосуды для варки оптического текла делаются из драгоценного металла — платины. А ведь можно только облицевать внутреннюю поверхность платиной, а сам сосуд делать из более дешевого металла.

Явление сварки металлов при взрыве потребовало многообразных исследований. Нужно было и подбирать наиболее подходящую взрывчатку (чтобы не повредить свариваемые детали), и размеры зарядов, и толщину соединяемых слоев, нужно было тщательно изучить, как происходит соединение двух металлов в зоне шва, какие факторы на него влияют.

Начинали с самого простого — получения листового биметалла. В самые первые годы, когда сварка взрывом еще не вышла из стадии экспериментов, заказы некоторых заводов, особо нуждавшихся в биметалле, мы выполняли своими силами. Бывали случаи, когда металл возили в Новосибирск специальными рейсами самолетов, затем доставляли в академгородок, где мы в ближайшем овраге оборудовали взрывной полигон и производили сварку, и самолетом же отправляли продукцию обратно. Если дело было зимой, при 30-градусном морозе, то приходилось греть детали в специальной ванне с теплой водой, которая была сооружена тут же, в овраге, — иначе промерзший металл плохо сваривался. Но так делалось, конечно, только для изделий особой важности, в единичных случаях.

В 1964 году Институтом гидродинамики совместно с Кузнецким металлургическим комбинатом была изготовлена первая опытно-промышленная партия биметаллических заготовок — малоуглеродистая сталь плюс нержавеющая — для прокатки в листы общим весом 100 тонн.

Как выяснилось позднее, это была первая в мире опытная партия биметалла, полученного сваркой взрывом в промышленных условиях.

У А. А. Дерибаса скоро нашлись единомышленники и последователи. В Барнауле работы по сварке взрывом начались в Алтайском научно-исследовательском институте технологии машиностроения и на котельном заводе. Энтузиасты этого дела Б. Д. Цемахович и молодой инженер, недавний практикант Л. Б. Первухин храбро взялись за ответственный заказ, который им предложил Ленинградский Металлический завод, — облицевать лопасти турбины Братской ГЭС особо прочной сталью, устойчивой против коррозии. Первый успех окрылил. Решили облицевать тем же способом лопасти гидротурбин Красноярской ГЭС. Но это было гораздо труднее: турбины были огромных размеров, лопасти представляли собой криволинейные плоскости. И вот неудача. При очередном взрыве восьмитонная лопасть разрушилась. И вторая лопасть тоже. И третья...

Завод больше не мог рисковать — там вернулись к старому способу автоматической наплавки. Два года сотрудники А. А. Дерибаса и Б. Д. Цемаховича в Новосибирске и Барнауле и вместе и порознь бились над усовершенствованием технологии. И все-таки турбины Красноярской ГЭС были облицованы с помощью взрыва, что обошлось на полтора миллиона рублей дешевле. А следом за этим взрыв используется для той же операции при изготовлении турбин Чарвакской ГЭС.

Позже Барнаульский котельный завод выпустил сотни тонн биметалла, из которого изготовлены, в частности, некоторые агрегаты Билибинской атомной электростанции.

Сварка взрывом пришлась ко двору в гидроэнергетике. С ее помощью не только облицовывают лопасти турбин, но и изготовляют подпятники (опорные подшипники) крупных электрогенераторов вертикального типа. Дело в том, что антифрикционный сплав баббит, на который и опирается вал генератора, очень плохо соединяется со сталью, из которой сделана основная опора. А после покрытия стальных сегментов подшипника слоем меди (с помощью взрыва!), на нее уже прекрасно ложится баббит, к тому же медь улучшает отвод тепла, образующегося при трении.

Первым на этот метод перешел ленинградский завод «Электросила», позже новосибирский «Сибэлектротяж- маш», за ними и другие заводы страны. Сейчас сварка взрывом — обязательная технологическая операция при изготовлении подпятников крупных электрогенераторов.

Несколько лет назад заработал промышленный участок сварки взрывом на новосибирском заводе «Сиблит- маш». Теперь тут делают втулки не из бронзы, как раньше, а из стали, облицовывая ее тонким слоем бронзы. Экономится ценный цветной металл, в 10 раз увеличилась производительность труда. И удалось запустить этот участок уже не за 15 лет, как на стрелочном заводе, а за 3 года. И произошло это не потому, что мы теперь больше знаем о взрывных технологиях. Главное — выросли кадры, появились люди, способные обеспечить продвижение новинки от рождения научной идеи до ее реализации.

У золотодолинцев, начинавших с опытных взрывов в овраге, появились к тому времени ученики и последователи. Сейчас над этой проблемой трудятся только в Новосибирске один доктор наук, пятнадцать кандидатов наук, получено более сотни авторских свидетельств на изобретения. Первый отряд «сварщиков» составили выпускники Новосибирского университета, которые еще со студенчества связали свою судьбу со взрывом; второй вырос среди заводских инженеров — энтузиастов нового дела. Ежегодно к ним добавляются все новые и новые специалисты — те, кто обучается по специальности «сварка взрывом» в НГУ или учится в других вузах, но проходит практику и пишет дипломы в лаборатории взрывных процессов Института гидродинамики и в СКБ гидроимпульсной техники.

Без таких людей нечего и говорить о реализации новой научной идеи, особенно если она родилась на стыке наук и непонятна даже самым квалифицированным специалистам отдельно взятой отрасли. Это как раз тот случай, когда профессиональные знания не выручают и нужно нечто большее: взрывники ничего не понимают в металлургии, а металлурги — во взрывном деле, тем и другим биметалл кажется химерой, материалом «от лукавого».

То, что появляется на стыках, особенно трудно продвигать в практику. Возникает интересная идея, а внедрять ее некому: нет понимающих людей на заводах, ибо завод имеет специалистов лишь своего профиля, нет понимающих и в отраслевой науке — причина та же. А непонятная, «непрочувствованная» идея всюду встречается в штыки. Говорят: не наше, чужое, мы этого не знаем, в это не верим. Тут не просто консерватизм, неприятие нового, а отрицание непонятного, из «чужой» науки пришедшего. Психологически это очень интересно, а на практике причиняет массу неприятностей.

Помню, какую борьбу пришлось выдержать молодому А. А. Демчуку, автору взрывных камер. Такие камеры были сконструированы отлично. В них безопасно можно было производить взрыв в заводском цехе. Но у страха Глаза велики... Потеряв всякую надежду убедить работников стрелочного завода своими расчетами в абсолютной надежности взрывных камер, А. А. Демчук произвел подрыв взрывчатки, сидя на самой камере. Конечно, он получил за это несколько выговоров, в том числе и от меня, но доказал свою правоту. Сейчас в разных городах страны эксплуатируется около 30 промышленных камер, некоторые интенсивно работают более десяти лет.

Подведем краткие итоги. Взрывные технологии обработки металла зародились почти двадцать лет назад. Используются они сегодня на нескольких десятках крупных предприятий. Научные исследования в этой области ведутся в Новосибирске, Киеве, Барнауле, Волгограде. Опытно-промышленные участки, где применяется взрыв, введены в действие на предприятиях Новосибирска, Новокузнецка, Барнаула, Жданова, Киева, Нытвы, Свердловска, Зыряновска и других городов. Обработка металла взрывом ведется на открытых полигонах, в глубоких шахтных выработках, в специальных камерах прямо в цехах. В биметаллах нуждаются гидроэнергетика й атомная энергетика, самолетостроение, судостроение, химическое и сельскохозяйственное машиностроение, отрасли новой техники.

И все-таки медленно, страшно медленно продвигается это новое дело в промышленность.

Параллельно с нами сваркой взрывом занимались в США, позже, но в больших масштабах в Швеции, ФРГ. Японии. По количеству различных применений взрыва для сварки и по разработке теории мы сегодня занимаем первое-второе места в мире, но по массовому применению существенно отстаем. У нас 99 процентов нержавеющей стали в стране используется в виде монолита, и только один процент идет на покрытия, а можно и нужно наоборот, это даст огромную экономию. Почему-то сейчас никому не приходит в голову при массовом строительстве возводить стены из мрамора — архитекторы чаще используют его только как облицовку.

Решить аналогичный вопрос со сталью оказалось много сложнее. Мешают, в частности, несовершенные экономические критерии. Если заменить дорогую нержавейку дешевым биметаллом, цена изделия сразу упадет, а вместе с ней «сгорит» и финансовый план завода... Какой же директор захочет бороться за такую новинку?

По-видимому, нужно, чтобы завод, который внедряет новшество, продавал бы свои изделия по старой цене в течение трех-четырех лет. И за счет экономии имел бы возможность расширять производство, строить дома, детские ясли, плавательные бассейны, дома отдыха для своих рабочих и т. д. Надо, чтобы завод получал материальный доход от внедрения нового. Обязательно! Производство должно иметь явные, понятные каждому рабочему и инженеру преимущества от реализации научных идей. Завод надо поставить в такие экономические условия, чтобы он сам выискивал повсюду хорошие научные идеи. Тогда у него найдутся и свободные мощности, и помещения для испытаний, изготовления опытных образцов, опытных серий, для отладки и обкатки новой технологии.