Ультразвук и металл.

В последнее время область применения ультразвука значительно расширилась. Оказалось, например, что при введении волновода в тигель, где плавится металл, время плавления резко сокращается. Если же в свою очередь продолжать озвучивать расплав при застывании, то время на кристаллизацию увеличится почти вдвое против обычного.

Удалось успешно использовать ультразвук для дегазации расплавов, в какой-то мере заменяя вакуумирование. При этом структура металла резко улучшается, делается более плотной. Очень интересны опыты по диффузной металлизации, проведенные доктором технических наук Г.И. Погодиным-Алексеевым. Сейчас, когда бурно развивается химическая промышленность, особенно важно производство таких конструкционных сталей, которые, обладая высокой коррозионной стойкостью в азотной, соляной и серной кислоте, одновременно были бы жаропрочными и износоустойчивыми. В частности, силицирование – поверхностное насыщение нержавеющей стали кремнием – создает такой металл. В обычных условиях силицирование нержавеющих сталей протекает очень медленно и глубина обработанного слоя незначительна. Ультразвук отлично справился с этой задачей, увеличив скорость обработки более чем в шесть раз.

Сущность процесса заключалась в том, что ультразвук стал вызывать кавитацию на поверхности обрабатываемой «нержавейки». И чем мощность больше, тем сильнее кавитация. Однако чрезмерное увеличение мощности приводит к тому, что поверхность обрабатываемого изделия уже серьезно разбивается кавитационными ударами. Поэтому здесь следует находить оптимальный режим, каковым отнюдь не является самый мощный.

Все аспекты применения ультразвука в металловедении ещё всесторонне, безусловно, не изучены, целому ряду фактов ещё нет ясного толкования. Например, установлено, что металл, подвергшийся обработке ультразвуком, оказался более коррозионностойким, чем обычный. Почему – точно не известно. Однако, использование этого явления уже сегодня может дать технике ощутимый эффект.

Например, основной недостаток существующих методов химикотермической обработки металлов – очень большая длительность диффузионных процессов. Это, естественно, снижает интенсивность технологического процесса. И вот здесь-то ультразвук проявляет себя как могучий ускоритель. И цементация, и азотирование, и борирование в ультразвуковом поле ускорялись вдвое, причем глубина диффузного слоя увеличивалась.

Объяснение процессов термодиффузии, а также и электротермодиффузии следует искать в теории термодинамических пар. Именно с этих позиций объяснимы и высокий эффект и тлеющего разряда, и ультразвука. Ведь в обоих случаях создавалась разность тепловых потенциалов (температур), в результате чего возник поток энергии от нагретой поверхности образца к сердцевине. А тлеющий разряд добавил к этому потоку ещё и «организованный» поток ионов (электрический ток). Таким образом, интенсивность внедрения азота и других элементов в тело обрабатываемой детали резко увеличилась, ибо оба потока усиливали эффект диффузии. Кстати, если бы полюса оказались перепутанными при включении установки тлеющего разряда, то этот процесс тотчас бы замедлился; потоки стали бы мешать друг другу.

Аналогично этому объясняется и действие ультразвука на металл. Здесь также при распространении упругих волн передается определенная энергия, которую можно рассматривать как перенос вибрационного (волнового) заряда. Поток вибрационного заряда влияет и на другие потоки, имеющиеся в теле, что также объясняет изменение характера кристаллизации металла и улучшения условий питания расплава при облучении отливки ультразвуком. (Более глубокое ознакомление с теорией термодинамических пар дано в книге А. Вейника «Термодинамика», Минск, изд-во «Высшая школа», 1965).

Для сталей, как отмечалось выше, существует проблема наличия аустенита. Для разрушения этой нежелательной структуры применяют многократную закалку и отпуск, что опять-таки не содействует интенсификации технологии. Профессор К.М. Погодина-Алексеева для разрушения аустенита стала применять ультразвук. Оказалось, что для обработки быстрорежущей стали Р9 и Р18 достаточно 15-минутного воздействия ультразвука. Для сокращения сроков естественного старения дюралюминия и силумина применялась обработка ультразвуком, которая позволила сократить их в несколько десятков раз. При отпуске после закалки такой широко употребляемой стали, как У8, её нагревали до 300-350° и подвергали действию ультразвука. В результате этого эксперимента наблюдалось значительное повышение твердости образца по сравнению с неозвученным.

Всем вышесказанным, разумеется, не ограничивается область применения ультразвука. И нет никакого сомнения, что в будущем широкое применение ультразвуковых установок в разных стадиях металлургического производства даст возможность не только резко увеличить выпуск продукции, но и создать новые высококачественные материалы.

* * *

Резюмируя все вышеизложенное, следует ещё раз подчеркнуть ту огромную роль, которую играют новые физические методы, применяемые в области получения и обработки чугуна и стали. Особо следует выделить принципиально новые теплотехнические решения, которые позволяют создать новый сталелитейный процесс и получать изделия непосредственно из расплава. Эти исследования в значительной степени содействуют созданию непрерывного автоматизированного процесса. Именно на их основе возможно создание металлургического завода-автомата.

Применение плазмы, электронного облучения, термомеханической обработки, интенсификация процессов термохимической обработки путем использования тлеющего разряда и ультразвука дают в свою очередь возможность резко улучшить качество чугуна и стали и тем самым решить весьма актуальную задачу нашей техники. Ведь повышение качества конструкционных и специальных сталей позволит современной технике обойтись меньшим количеством металла, снизить вес машин и механизмов, повысить их надежность и долговечность, улучшить их эксплуатационные качества.

Можно с уверенностью сказать также, что применение новых физических методов в металлургии поможет решить важную и сложную задачу, поставленную директивами XXIII съезда КПСС, - значительно увеличить производство металла к 1970 г. и улучшить его качество.

Справка:

Лифшиц Лазарь Львович, инженер.

Бернштейн Марк Львович, доктор технических наук, профессор, Московский институт стали и сплавов. Возглавлял в стране исследования термомеханической обработки сталей.

Бернштейн М.Л., Рахштадт А.Г. Металловедение и термическая обработка сталей. М.: Научно техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1961.

Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка сплавов. В 2-х т. М.: «Металлургия», 1968, т.1, 596с.; т.2, 598с.
Бернштейн М.Л. Структура деформированных металлов. М.: Металлургия. 1977. 432 с.
Бернштейн М.Л., Займовский В.А., Капуткина Л.М. Термомеханическая обработка стали. М.: Металлургия. 1983. 479 с.

Бернштейн М.Л. Термомагнитная обработка стали. М.: Металлургия, 1986.

Глинков Марк Алексеевич (1906-1975), доктор технических наук (1941, тема «Методика расчета тепловой работы плавильного пространства мартеновской печи»), заведующий кафедрой «Металлургические печи» Московского института стали (1945-1975).

http://www.glinkov.misis.ru/bibliogr.htm

Иванцов Г.П. (1902-1968), теплотехник, доктор технических наук.

Иванцов Г.П. Огневое моделирование. Сб. работ Сталь-проекта, ОНТИ, 1936.

Иванцов Г.П. Нагрев металла. Свердловск-M., 1948.

Иванцов Г.П. Теплообмен между слитком и изложницей. М.: Металлургиздат, 1951. 40 с.
Ключников А.Д., Иванцов Г.П. Теплопередача излучением в огнетехнических установках (инженерные решения задач). М.: Энергия, 1970. 400 с.

Иванцов Г.П. Василивицкий А.В., Смирнов В.И., Непрерывный сталеплавильный процесс, М., 1967. 146 с.; Alternative routes to steel, L., 1971.

Одинг Иван Августович (1896-1964), металловед, доктор технических наук, профессор, член-корреспондент АН СССР (1946), заслуженный деятель науки и техники РСФСР. Основные труды по прочности металлов и методам испытания их механических свойств. Государственная премия СССР (1946).

Погодин-Алексеев Георгий Иванович, доктор технических наук, профессор. Основатель и первый заведующий кафедрой «Технология металлов и металловедение» Орджоникидзеградского машиностроительного института (ныне БГТУ).

Погодин-Алексеев Г.И., Явление в сплавах, обратное старению (О двух видах старения сплавов) (краткое сообщение) / Физика металлов и металловедение, 1963, т.15, № 5 (май), c.793-795.

Погодин-Алексеев Г.И. и др. Стальные сплавы и взвеси, полученные при помощи ультразвука. Сборник докладов 4-й конференции "Применение ультразвуков в машиностроении", Изд-во ЦПНТО "Машпром", 1963, с.38.