Одни специалисты, подсчитывая огромные потери, сокрушаются над тем, что металл недостаточно устойчив к коррозии. А другие, как это ни парадоксально, в это же время сожалеют о том, что он разрушается слишком медленно. К последним относятся химики и технологи, работающие над проблемами нового способа обработки металлов — так называемого химического «резания».
Как это часто бывает, один из вариантов этого способа появился тогда, когда известные методы обработки металла оказались бессильными. Перед группой инженеров была поставлена на первый взгляд простая задача — в трубе с очень тонкими стенками необходимо было вырезать сбоку отверстие определенной конфигурации. Но при этом ставилось условие: деформация трубы недопустима, И это условие превращало задачу в, казалось бы, неразрешимую: любой режущий инструмент неизбежно вызвал бы пусть небольшое, но все же искажение формы и размеров детали.
Выход нашли химики. Они покрыли трубу тонким слоем кислотостойкого лака, острой иглой аккуратно процарапали в нем контуры отверстия и обработали их кислотой. Кислота растворила металл на обнаженных участках, «выпилив» при этом в стенке трубы достаточно точное отверстие — отклонения в размерах не превышали 0,02 миллиметра. Этот вариант размерной химической обработки металла впоследствии получил название контурного травления.
Приведенный пример — один из многих, когда методы химического «резания» приходили на помощь там, где остальные способы обработки металлов оказывались несостоятельными. Но сфера использования этих методов не только подобные «аварийные» ситуации: нередко они оказываются намного производительнее и экономически выгоднее целого ряда иных технологических процессов.
Одна из областей, где химические методы «резания» впервые стали успешно конкурировать с механическими, — это фрезерование. Представьте себе, что в огромной детали сложной формы необходимо сделать несколько больших облегчающих углублений определенной конфигурации. При механическом фрезеровании для выполнения этой задачи понадобилось бы уникальное оборудование со сложной автоматикой, управляющей ходом режущего инструмента. Химические же методы срезания» позволяют обойтись несколькими несложными приспособлениями и ванной с электролитом (например, раствором щелочи или кислоты), в которую помещается деталь, покрытая защитным слоем из стойкого к воздействию раствора материала.
Весь процесс обработки в этом случае слагается из достаточно простых операций. Сначала детали подвергают очистке от грязи и жира. Затем из лейкопластыря вырезают шаблоны, конфигурация которых соответствует будущим углублениям. Эти шаблоны наклеиваются па деталь, которую затем из пульверизаторов покрывают слоем «защиты» — стойкого к растворителю материала. После этого шаблоны снимаются, оставляя обнаженными соответствующие участки металла, деталь погружается в ванну с раствором и выдерживается там в течение того отрезка времени, за который раствор успевает «выесть» металл на требуемую глубину. Теперь остается только вынуть деталь из ванны и смыть с нее остатки растворителя.
Еще больший эффект дает замена механических методов на химические при обработке, например, большого числа сравнительно мелких деталей. На практике нередко приходится сталкиваться с задачами, когда на предназначенные для работы в особых условиях стандартные детали — болты, гайки, винты — необходимо нанести слои защитного покрытия. А это означает, что с каждой такой детали предварительно нужно снять соответствующий слой металла, иначе болты и пинты просто не будут входить в предназначенные для них гнезда. Механическая обработка потребовала бы в этом случае массу труда. А с помощью химических методов задача решается просто: детали загружают в ванну с «режущим» раствором и выдерживают в ней необходимое время.
Сегодня химические методы «резания» могут заменить большинство из известных механических способов обработки металла. Так, например, они могут быть использованы для токарной обработки тонкостенных труб, обладающих малой жесткостью. В этом случае на смену резцу из сверхпрочного сплава, приходит простое приспособление в виде стакана с двумя боковыми пробками, медленно скользящего вдоль обрабатываемой детали. «Режущий» раствор подается в стакан через входной патрубок, омывает вращающуюся деталь, «съедает» часть металла и выходит через отводной патрубок.
Химическое «точение» может быть применено и для получения деталей сложной конфигурации. Так, например, в тех случаях, когда детали необходимо придать коническую форму, установка для выполнения этой операции представляет собой длинную ванну, вдоль которой движется лента конвейера, несущая в своих гнездах цилиндрические заготовки. Если теперь через равные отрезки времени уменьшать глубину погружения деталей на равные величины, то они приобретут форму ступенчатых пирамид: на каждом шаге раствор будет «съедать» металл на одну и ту же глубину. Но если подъем осуществляется плавно и непрерывно, то ступеньки будут сглаживаться и деталь примет форму конуса.
В «арсенал» химического «резания» входит и такая операция, как сверление, или, точнее, развертка больших отверстий. Для этого деталь так же, как и в предыдущих случаях, покрывают слоем «защиты», оставляя в нем отверстие, соответствующее диаметру сверления. А вместо дорогостоящего сверла из специальных сплавов здесь используется простой патрубок из стойкого к коррозии материала (например, пластмассы), по которому в отверстие поступает «режущий» раствор.
Спрашивается, почему, несмотря на такие достоинства, как простота оборудования и высокая экономичность, химические методы «резания» до сих пор не вытеснили механическую обработку? Оказывается, все дело в низких скоростях растворения металла, из-за которых производительность химических методов во многих случаях остается ниже, чем у механических. Даже у такого податливого материала, как алюминий, эти скорости удалось довести до 0,035 миллиметра в минуту, а у других металлов они и того ниже. Поэтому усилия исследователей направлены к тому, чтобы увеличить эти скорости, или, иными словами, устранить причины, препятствующие быстрому растворению металлов.
Одна из таких причин — образование в процессе растворения па металле различных защитных пленок. Простейший путь борьбы с этим явлением состоит в том, что раствор заставляют циркулировать вокруг детали с большой скоростью. Однако такой способ борьбы не всегда приносит эффект: образовавшаяся пленка может быть весьма устойчива к подобным механическим воздействиям.
Уже в конце 20-х годов инженер ленинградского завода «Большевик» В. Гусев разработал первые электрохимические установки для размерной обработки металлов. Идея была проста: обрабатываемая деталь, покрытая соответствующим защитным слоем, присоединялась к положительному полюсу внешнего источника тока, а рядом в раствор опускался второй электрод, форма которого представляла собой зеркальное отображение обрабатываемой детали. При этом положительный полюс внешнего источника тока как бы откачивал электроны из металла и одновременно «выталкивал» из него положительные ионы. А в результате скорость растворения резко возросла.
Переход к электрохимическим методам позволил не только увеличить скорость «резания», но и придать ему определенную направленность.
Электрохимические методы «резания» позволяют изготовлять детали сложной формы с высокой степенью точности.
Нельзя не остановиться еще на одном способе электрохимического «резания», который может конкурировать, например, с газовой резкой,— речь идет об электрохимическом раскрое листового материала. Здесь роль режущего инструмента выполняет тонкая проволока-катод, которую пропускают через предварительно просверленное отверстие, а «режущий» раствор подается из сопровождающего ее движение патрубка. При использовании такого «инструмента» потерн металла при раскрое сводятся к минимуму.
И, наконец, «тонкая» область применения электрохимических методов обработки металлов — шлифование. Установка для выполнения этой операции представляет собой ванну с раствором поваренной соли, в которую на изолирующей подставке 6 устанавливается деталь — анод. Над деталью помещается катод, а под ним по шлифуемой поверхности движется специальный притир. Притир разрушает защитную пленку, возникшую в результате взаимодействия раствора с металлом, и металл вступает в контакт с «режущим» раствором, который шаг за шагом постепенно «съедает» все неровности.
Применение электрохимических способов активизации процесса в сочетании с быстрой прокачкой раствора, предотвращающей образование различных пленок, позволяет довести скорости «резания» до 4 миллиметров в минуту. Однако и эта цифра не предел.
Усилия многих исследователей направлены на поиски особых химических веществ, повышающих активность «режущего» раствора, или, иными словам, вызывающих ускоренное растворение металла, например, в растворах кислот. Эти вещества получили название стимуляторов коррозии.
По своему механизму действия стимуляторы коррозии в кислотах делятся на несколько групп, в одну из которых входят вещества, активно снимающие электроны с катодных участков растворяющегося металла или способствующие их поглощению другими составляющими раствора (например, катионами водорода). Соответственно эти вещества носят название стимуляторов катодного действия. Некоторые из этих стимуляторов, «сняв» с металла электроны, взаимодействуют с катионами водорода и образуют соединения, которые уже не могут снова перейти в первоначальную «стимулирующую» форму. Поэтому для поддержания высокой скорости «резания» стимуляторы этого типа необходимо постоянно добавлять в раствор.
