Любимейший металл изобретателей

Каждую декаду Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий выпускает объемистый бюллетень. На трех сотнях его страниц очень убористым шрифтом набраны тысячи коротеньких, всего в несколько строчек, сообщений. Эти микрозаметки, написанные языком сугубо специальным, содержат зачастую то, что трудно выразить в золотом денежном эквиваленте: идеи, открытия ученых и изобретателей, которые еще никогда и никому не приходили в голову! От первой до последней страницы бюллетень заполнен оригинальнейшими находками самых знающих и изобретательных людей! Когда нужно заглянуть на десятки лет вперед в будущее науки и техники (а нынче такие дальние прогнозы необходимы как никогда), специалисты берут эти уникальные издания, анализируют их содержание особыми математическими методами и с достаточной точностью выводят ожидаемые черты картины будущего: к такому-то времени, скажем, добывать, выплавлять и обрабатывать металлы будут так-то, а изготовление самолетов, автомобилей, ледоколов будет таким-то... Поэтому часто говорят, что анализ сегодняшних идей прорубает окно в будущее.

Любимейший металл изобретателей

Так вот, если вам попадется в руки том "Бюллетеня" в неизменно бледно-голубой мягкой обложке, полистайте его, и вы встретите слово "медь" на десятках страниц, причем в самых разных словосочетаниях и при описании открытий и изобретений в самых разных областях.

Читатель, вероятно, уже не удивляется такой вездесущности меди. Ему известна почти уникальная ее электропроводность, пластичность, хорошая коррозионная стойкость, замечательная стойкость на самом жесточайшем морозе... Каким же открытиям и изобретениям, связанным с медью, отдать предпочтение в нашем рассказе? Выбор очень непрост. Тем, кто интересуется электротехникой, важно одно, кто занимается металлургией - другое, кто изучает металлообработку - третье, горным делом - четвертое...

Встречаясь с известными учеными и инженерами, автор, журналист по профессии, среди прочих вопросов всегда задавал такой: "Какое из недавних открытий и изобретений вы считаете наиболее интересным, многообещающим, значительным?"

Самый свежий на памяти ответ крупного советского ученого-машиностроителя академика Армянской Академии наук Мартына Вагановича Касьяна. Он, почти не задумываясь, сказал: "Открытие эффекта безызносности и многочисленные изобретения на его основе".

Здесь нелишне привести короткую справку об эффекте безызносности. Он открыт москвичами профессором Д.Н. Гаркуновым и профессором И.В. Крагельским. Эффект безызносности обещает создание вечных машин. Главную роль в нем играет медь!

Открытие родилось неожиданно и, как написали об этом сами авторы, "если бы не ошибка, которую сделал конструктор при выборе материала для буксы, то новое открытие не так скоро явилось бы людям". Как тут не вспомнить слова гениального Луи Пастера: "Случай одаривает лишь подготовленные умы".

Произошло все следующим образом. В лабораторию профессора Гаркунова авиаторы прислали большое бронзовое кольцо - буксу самолетного шасси. При самом тщательном уходе и лучших смазках она каждый месяц выходила из строя, истиралась. Злосчастная букса попала к "умам подготовленным" - в лаборатории давно занимались проблемами трения и износа. Поскольку ни увеличение зазора, ни иные меры не помогали, было решено для этой каверзной пары подобрать другие материалы. Стойку шасси, как и раньше, изготовили из стали, а для буксы выбрали бронзу другого состава. Тут-то и случилось нечто невероятное - износ буксы прекратился ... совсем.

Столкнувшись с необъяснимым явлением, которое противоречило общепринятой теории, ученые начали его исследовать. Из стали и бронзы вырезали небольшие образцы и заложили их в машину для испытаний на трение. Сто раз в минуту 20 часов подряд ползал взад и вперед бронзовый брусок, прижатый к стальной пластинке, погруженной в спирто-глицериновую смазку, с силою примерно в десять миллионов ньютонов на квадратный метр, но никаких следов износа не было. Его не отмечали самые точные аналитические весы, на которых взвешивали образцы после испытаний. Единственно, что было новым, - это появившийся на обоих образцах красноватый медный налет толщиной не более микрона, гладкий как зеркало. Как оказалось, в результате трения атомы слоя этого налета непрерывно мигрируют, переходя с одной поверхности на другую, а основной материал остается нетронутым! Это был типичный процесс молекулярного взаимодействия поверхностей, так называемое схватывание. Но если обычно схватывание резко ускоряет износ, так как вырывает кусочки металла с одной поверхности и переносит их на другую, в результате чего образуются шероховатости, трение резко растет, и все заканчивается заклиниванием или поломкой, то в данном случае почти это же явление устраняло износ!

Разница заключалась в том, что вырывались не кусочки металла, а отдельные атомы, и эти атомы циркулировали туда и обратно. Назвали этот процесс атомарным переносом. Впервые в истории техники атомарный перенос позволил разлучить такие вечные спутники, как трение и износ, представляющиеся инженерам чуть ли не синонимами. Трение есть, а износа нет - вот кратчайшая формула этого открытия!

Итак, трущаяся пара, в элементах которой есть медь, может служить "вечно". Кавычки мы тут поставили лишь по одной простой причине: в реальных условиях причиной износа в машинах является не только само трение - вредят и влага, вызывающая коррозию, и абразивные частицы, и удары, и перекосы, нарушающие точность соединений. Однако все эти причины недаром называют побочными: их в принципе можно устранить конструктивными мерами - герметичностью уплотнения, тщательностью сборки, точным расчетом конструкции на ударные нагрузки.

Трущаяся пара

Но как же быть с трущимися материалами, которые совсем не содержат меди? Например, при трении стали по стали или стали по чугуну?

Изобретательность помогла решить и эту задачу. В одной из трущихся деталей нужно высверлить углубление и запрессовать в него кусочек меди! При работе атомы меди будут постепенно выходить из своего убежища, обволакивать сопряженные поверхности, предохраняя их от износа. Небольшого кусочка меди хватит на многие десятилетия безызносной работы пары. На этом принципе уже работают тяжелонагруженные узлы самолетных шасси.

Другие изобретатели предлагают покрывать поверхности пар трения медным слоем, используя для этого... само трение! Болты, оси, цилиндры, поршни и другие детали, которые представляют собой тела вращения, можно покрывать медью или медным сплавом при помощи элементарных приспособлений непосредственно на токарном станке. Деталь как бы натирают медью.

Есть и третий способ избавиться от износа. В виде тонкого порошка медь можно вводить в смазочные материалы и таким образом наносить ее на поверхность.

Но было бы неверно сказать, что медь уже сегодня может спасти от износа все самолеты, комбайны, грузовики, стиральные машины... Чтобы использовать в каждом подшипнике, каждом узле какого-нибудь агрегата поистине чудодейственный эффект безызностности, предстоит еще не мало потрудиться ученым и инженерам…

Сегодня вряд ли найдется любознательный человек, который бы не знал о лазерах - эти замечательные устройства, способные генерировать мощный, узконаправленный пучок когерентного излучения, уже четверть века удивляют своими поистине неисчерпаемыми возможностями. Сделать лазер, в котором рабочим телом являлись бы пары меди, с самого начала было заветной мечтой ученых и инженеров.

Но температура кипения меди 2350°С. Создать квантовый генератор, надежно работающий при такой температуре, очень непросто. Тем не менее исследователи трудились над воплощением многообещающего лазера. Их подстегивало еще одно обстоятельство: луч медного лазера должен был иметь зеленый цвет. Именно для зеленого цвета особенно высока прозрачность морской воды, а значит медный лазер - наилучший прибор для изучения дна морей и океанов! Далее, кремниевые ячейки солнечных батарей, работающих на космических аппаратах, вырабатывают электроэнергии при освещении зеленым светом вчетверо больше, чем при обычном солнечном освещении!... И вот недавно заработала первая модель медного лазера.

В сотнях изобретений, которые посвящены разнообразным способам обработки металла, участвует медь. Здесь она опять-таки вне конкуренции. Это и понятно - не найти металла более пластичного, ковкого, чем медь. Правда, резанию она поддается не очень хорошо - слишком вязка, зато к прокатке, ковке, штамповке, прессованию относится превосходно. Медные детали можно легко сварить практически любым из известных способов - от обычной сварки путем расплавления свариваемых мест до мгновенной сварки взрывом. Кстати, взрывной сваркой соединяют даже медный лист с золотым, то есть материалы, которые считают одними из самых несовместимых.

Для одного радиоэлектронного прибора потребовалась деталька, состоящая из 1300 шестиугольных медных ячеек с толщиной стенки 50 микрометров (!) при диаметре отверстий приблизительно 0,7 мм. Настоящие пчелиные соты, только еще более ажурные! Технологи были в отчаянии: ни одним из обычных способов изготовить деталь было попросту невозможно... Тогда нарезали 1300 кусочков из довольно толстой алюминиевой проволоки, покрыли их гальваническим способом с помощью электролиза тончайшей 50-микрометровой медной пленкой и запрессовали весь жгут в массивную медную труду. Обмотав эту трубку взрывчаткой, произвели взрыв, на который ушла всего стотысячная доля секунды! Затем алюминиевую начинку вытравили химическим реактивом, не тронувшим медь. Нужная деталь была готова. Ровно 1300 идеальных шестиугольных ячеек, накрепко сваренных друг с другом.

Прокатка и штамповка - достаточно традиционные способы обработки металлов. И здесь, казалось бы, трудно было ждать каких-нибудь фантастических решений. Но вот совсем недавно со страницы бюллетеня изобретений на читателей взглянуло нечто... трудно даже подобрать слово для столь необычного устройства, имя которому дали "Ансил". Представьте себе прокатный стан с его многотонными валками, из-под которых со скоростью курьерского поезда мчится медный лист, и тяжеленный штамп, с грохотом обрушивающийся на бесформенный кусок металла и вмиг превращающий его в замысловатую по форме деталь. Так вот "Ансил" совмещает эти устройства, точнее, их лучшие достоинства, но при этом совершенно на них не похож.

Понять его работу можно, представив себе следующее. Конус с очень большим углом при вершине катится по мягкому материалу. Если на конической поверхности такого "волчка" весом около 400 тонн сделать, к примеру, кольцевой выступ, то он выдавит на плоскости, по которой катится, свое зеркальное изображение. Коническую поверхность штампа можно выложить любым орнаметтом из маленьких штампиков. Эта махина совершает всего за одну минуту около тысячи возвратно-круговых движений! Каждая медная заготовка принимает форму необходимой детали меньше, чем за секунду!

Прокатка и штамповка

Большинство специалистов сходятся в том, что "Ансил" может во многом преобразить традиционную обработку металла. Кстати, "Ансил" - это своеобразная аббревиатура, составленная из инициалов и фамилии автора изобретения - ленинградца Александра Николаевича Силичева.

А нужна ли вообще какая-либо форма, чтобы изготовить медную деталь?... Вопрос на первый взгляд странный. Исходя из привычных представлений, медную трубу нельзя, например, вылепить руками, как из пластилина. Но изобретения ленинградского профессора А.В. Степанова, однако, отвечает на "странный" вопрос о необходимости формы для отливки медной детали отрицательно.

Сама суть идеи А.В. Степанова весьма проста. Опустим в расплавленную медь холодный кусок меди и начнем его потихоньку из расплава вытягивать. За твердым металлом потянется столбик жидкой меди, который вскоре наверняка оборвется. Но если скорость вытяжки будет подобрана правильно, столбик может оказаться вполне устойчивым. Постепенно верхняя его часть, близкая к твердой затравке, будет остывать и твердеть...

Вот таким образом изобретатель вытягивал совершенно готовые медные трубки, причем самого затейливого фасонного сечения! Возникает естественный вопрос: насколько же медлителен этот процесс но сравнению с обычной прокаткой? Действительно, максимальная скорость вытяжки, достигнутая в опытах Степанова, невелика - всего 10 метров в час. Это в 100-200 раз медленнее, чем на современных прокатных станах. Но, во-первых, прокатить сложную трубу труднее, во-вторых, устройства Степанова во много раз проще и дешевле, в-третьих, новый метод совершенно не дает отходов. Таким образом, положив на весы все "за" и "против", получим, что в производстве метод ленинградского изобретателя не уступит традиционным.

Конечно, есть еще немало сложностей на пути внедрения изобретений Степанова в практику. Но вот, что сказал об этом известный советский ученый академик Б.П. Константинов: "В конце концов подлинно прогрессивные идеи торжествуют и находят широкое осуществление и признание. Думается, что работа А.В. Степанова близка к этому завершающему этапу".

От коллеги-журналиста автор слышал весьма интересный рассказ о том, как недоумевали американские инженеры, увидев впервые на советской выставке в Нью-Йорке поистине волшебного "паука" конструкции профессора А.В. Улитовского. Имел этот "паук" вполне современный вид и не менее современное научное название - высокочастотный генератор. И прял он не простую паутину, а... медную, вытягивая ее из расплавленной капли. Весь секрет устройства был в том, что медному кристаллику-затравке, за который тянули паутинку, кроме всего, сообщали высокочастотные колебания.

Обычным способом - протяжкой и волочением - из пластичной меди невозможно получить проволочку тоньше 30 микрометров, даже если пропустить ее через добрую сотню алмазных волок - фильер. А установка Улитовского наматывала со скоростью почти полкилометра в минуту (!) проволоку в десятки раз тоньше человеческого волоса - диаметром всего 2-3 микрометра! Это была именно медная паутинка! Из килограмма меди можно сделать ее столько, что хватит от Москвы до Киева и еще останется на обратную дорогу! ... Было чему удивляться иностранным инженерам! Ведь, кроме того, паутина становилась прочнее, чем при изготовлении проволоки обычной протяжкой, надежнее в работе, а медь в ней получалась необычной чистоты, потому и электросопротивление ее приближалось к теоретическому пределу. Уникальную "пряжу" используют теперь в самых тонких измерительных приборах ...

До сих пор мы говорили только о таких изобретениях, которые используют лучшие свойства самой меди. Ну, а если для какого-либо важного дела собственных ее свойств не хватает? В этом случае, очевидно, меди нужно заключить союз с другим материалом. Медные сплавы? Увы, они далеко не всегда выручают. Медь не может полностью проявить своих лучших качеств даже при малейшем "загрязнении" - сплавы ее обычно хрупки, электросопротивление слабее. "Союз" тут должен быть совсем другим. Каким же?

Сегодня, наверное, уже каждому известно слово "композит", которым называют материал, составленный из двух или нескольких различных материалов. Один из самых старых и широко распространенных композиционных материалов - железобетон. В нем сочетаются два противоположных по существу свойства. Сам бетон - это своеобразная матрица. Он хорошо сопротивляется сжатию, но плохо работает на растяжение. Поэтому его и "начиняют" так называемым армирующим материалом - сталью, стержни которой как бы дополняют его свойства, придавая бетону хорошую сопротивляемость растягивающим нагрузкам. Примеров подобного союза много и в природе, и в технике.

Для освещения вашей квартиры ток проходит зачастую сотни и тысячи километров - от мощных гидроэлектростанций на Волге, Днепре, Енисее. Чтобы с меньшими потерями передать электроэнергию на большие расстояния, применяют ток силой в тысячи ампер и напряжением в сотни тысяч вольт. Тут уже после одного-двух переключений обычный медный контакт на электростанции попросту... испарится. Может быть сделать контакт из тугоплавкого вольфрама? Но у него слишком большое сопротивление. Соединить электропроводность меди и тугоплавкость вольфрама? На просьбу приготовить сплав из этих компонентов металлург только пожмет плечами. Температура плавления меди 1083, вольфрама 3400°С. Медь вскипит и испарится прежде, чем начнет плавиться вольфрам. К тому же у сплавов, как мы знаем, почти всегда ухудшается электропроводность в сравнении с чистыми металлами.

Изобретатели решили задачу поистине изящно. Из вольфрамового порошка спрессовали контакт, не слишком плотный, со множеством пор. Затем пористую вольфрамовую заготовку спекли, после чего... пропитали расплавленной медью, как губку водой. Так получили замечательный контакт, где медь проводит, как ей положено, электрический ток, а вольфрамовый каркас воспринимает львиную долю тепловой нагрузки.

По данным патентоведов, в Советском Союзе каждые несколько минут регистрируется очередное изобретение. Десятки, сотни из них так или иначе связаны с оригинальным использованием многообразных свойств меди.