Параллельно я исследовал формы роста кристаллов на модельном прозрачном веществе камфен, используя киносъемку под микроскопом.
Модельное вещество камфен имеет точку плавления 45–51°С, обладает высокой степенью прозрачности, сравнительно малой линейной скоростью кристаллизации, существует лишь в одной модификации и образует кристаллические формы, близкие к тем, что обнаруживаются на металлических шлифах.
Для достижения очень медленного охлаждения вещества температура нагревательного столика поддерживалась вблизи точки плавления камфена. При этом по всему полю зрения микроскопа возникают мелкие округлые кристаллы. При очень малых размерах кристаллы практически шарообразны; по достижении больших размеров они теряют шарообразную форму и принимают самые неопределенные, но по-прежнему округлые очертания. Одновременно с ростом больших кристаллов происходит исчезновение кристаллов меньших размеров.
Округлость всех кристаллов и плавление маленьких кристаллов связаны с действием поверхностного натяжения (рис. 3). Встречая пузырьки воздуха, кристаллы несколько сдвигают их, а потом обтекают, при этом в месте обхода образуются выемки. Увеличение скорости охлаждения ведет к вытягиванию кристаллов и появлению первых ветвей (рис. 4). На медленно растущих ветвях появляются волны. При некотором дальнейшем увеличении скорости охлаждения кристаллы превращаются в широко разветвленные, медленно растущие дендриты.
Хорошо видно взаимодействие ветвей. Ветвь, попавшая между двумя другими ветвями, имеет совершенно гладкие очертания: соседние ветви выкинули много веточек высшего порядка, но опять-таки в ту сторону, где имеются значительные свободные пространства. Взаимодействие ветвей и соседних кристаллов проявляется в том, что при подходе друг к другу скорость роста их в этом направлении уменьшается, и они мешают друг другу расти не только после соприкосновения, но и на довольно значительном расстоянии. Это расстояние характеризует величину того поля жидкости, на которое распространяются изменения, вызываемые ходом кристаллизации: повышение температуры вследствие выделения теплоты кристаллизации и изменение химического состава жидкости.
При дальнейшем увеличении скорости охлаждения ветви становятся многочисленнее, тоньше, расстояния между ними уменьшаются (рис. 5а, б). Если в процессе роста округлых кристаллов увеличить интенсивность охлаждения, на них сразу появляется оторочка из многочисленных тонких веточек. Сращиваясь, дендриты превращаются в зерна (рис. 6). Распределение примесей внутри и по границам зерен обусловлено первоначальной формой дендритов: тонким ветвям, малым расстояниям между ними отвечает дисперсное распределение примесей и соответственно высокие механические свойства. Медленно растущие дендриты оттесняют примеси на границы зерен, вызывая снижение механических свойств. При самой большой скорости охлаждения растут параллельные вершины.
Аналогичные структуры можно наблюдать в металле (рис. 7). При очень медленном охлаждении сплава Д16 (отливка в шамотную изложницу) растут грубые дендриты с каемкой грубых примесей и пустот по границам с соответственно низкими механическими свойствами. При большой скорости кристаллизации растут волокнистые кристаллы со свойствами, близкими свойствам деформированного металла.
Далее был исследован сдвиг взвешенных примесей в процессе кристаллизации прозрачного модельного вещества (рис. 8). Стремясь приблизить условия опыта к реальным условиям литья слитков, была разработана методика, до некоторой степени воспроизводящая кристаллизацию слитка с отводом тепла через дно изложницы и одновременным подогревом верхней ее части. Расплавленное прозрачное вещество — в данном случае чистый салол — помещался в стеклянную трубку с нижним водяным охлаждением. Трубку с веществом погружали в водяной термостат, при включении охлаждения после соответствующей затравки (прикосновением стеклянного капилляра ко дну) все дно трубки покрывалось ровным слоем кристаллов. Достигнув подвешенного на гибком стеклянном капилляре шарика, кристаллы начинали поднимать его вверх.
Впервые было количественно показано, что при кристаллизации расплава возникает кристаллизационное давление, приводящее к сдвигу встречающегося на пути растущего кристалла шарика (рис. 9). Сдвиг шарика уменьшается при увеличении скорости охлаждения и сводится к нулю при очень энергичном охлаждении. Возникновение кристаллизационного давления объясняется засасыванием жидкости в щель между кристаллом и шариком под действием капиллярных сил и упругим искажением решетки кристаллов. Эти опыты подтвердили уменьшение способности кристалла к сдвигу примесей при увеличении скорости кристаллизации, что приводит к измельчению структурных составляющих. Таким образом, было четко установлено, что для получения хорошего слитка нужна максимальная скорость охлаждения при кристаллизации металла, которая может быть достигнута только при непрерывном литье слитков с непосредственным охлаждением водой кристаллизующегося металла. При таком варианте литья кристаллизатор должен быть по возможности коротким, с тем чтобы лунка опускалась ниже нижней кромки кристаллизатора.
Отливка крупных слитков непрерывным методом вызвала огромные трудности, а во многих случаях была опасной для исследователей. Жидкий металл при неудачных ситуациях прорывал затвердевшие корочки и входил в прямое соприкосновение с охлаждающей водой, что приводило к выбросам жидкого металла. Еще большую опасность представляли термические напряжения, вызывающие горячие и холодные трещины, разрывающие слиток и разбрасывающие на многие метры огромные куски слитков. Вокруг установок были сооружены из рельсов защитные ограждения.
Однако постепенно все эти трудности были преодолены. Были установлены закономерности процессов кристаллизации слитков, формы лунки, распределения термических напряжений, их зависимость от состава сплава и хорошо освоено промышленное производство плоских слитков.
В Верхней Салде, где разместился завод № 95 с хорошим прессовым и кузнечным оборудованием, Владимир Иванович Добаткин, позднее член-корреспондент РАН, осваивал непрерывную отливку круглых слитков.
Владимир Иванович — прекрасный исследователь, очень упорный в своих поисках человек — постепенно постигал закономерности кристаллизации круглых слитков и осваивал их литье. Между Ливановым и Добаткиным шло как бы соперничество, что подстегивало обоих и давало постоянный стимул к работе.
Добаткин отличался систематичностью, умением терпеливо собирать, анализировать наблюдаемые явления при возникновении той или иной структуры металла и особенностей процесса. Ливанов был импульсивным человеком, но ему удавалось экспромтом открывать выявляющиеся закономерности процесса и находить правильные технологии и конструкторские варианты, ведущие к полному успеху. За спиной обоих металлургов с начала войны стояли мощные, колоритные фигуры директоров, рьяно защищавших марку своего завода, ныне обретших чины полковников.
В Ступино — полковник А.Ф. Белов, высокий, красивый, решительный, необычайно энергичный человек, ради достижения цели готовый и на не совсем законные маневры. В Верхней Салде — полковник Лещенко, такой же крупный, как и Белов, властный человек с хриплым голосом, который он приобрел во время пребывания в северных лагерях. До войны он был директором завода в Сетуни, был в командировке в Америке, потом его арестовали и отправили “перевоспитываться” на Север, затем, перед войной или в начале войны, выпустили и назначили директором завода № 95 в Верхней Салде. В общем, довольно типичная жизненная история руководящих кадров тех лет. Оба директора прекрасно знали производство и успешно организовывали работу коллективов и при внешнем дружелюбии друг к другу жестоко конкурировали.
Декабрь 1941 г. На авиационных заводах нет заклепок. В конце декабря 1941 г. в авиационной промышленности крайне обострилась ситуация с заклепками. На истребителях и штурмовиках устанавливается 600–800 тыс. заклепок, а на больших самолетах — до двух млн. Проволоку для заклепок изготавливал завод, расположенный в г. Кольчугино Московской области. В суматохе эвакуации часть оборудования этого завода попала в Сибирь, а остальное — в Среднюю Азию. Попробуй собрать все воедино. Авиационным заводам грозила остановка и как раз в то время, когда фронту позарез требовались все новые и новые машины. Тут Александр Федорович Белов — директор Ступинского комбината, человек огромной энергии — вспомнил, что он видел в Ленинграде установку изобретателя Василия Георгиевича Головкина по непрерывной отливке тонкой проволоки. В январе 1942 г. он добился разрешения слетать в блокадный Ленинград и вывез оттуда чуть живого изобретателя с дочкой, остальные члены его семьи умерли от голода и холода. В пустых цехах эвакуированного из Сетуни завода № 95 с необычайной быстротой строили плавильные печи и установки для отливки проволоки.
Метод был оригинальным и очень простым. У плавильной печи несколько ниже уровня расплавленного металла делали выпускное отверстие. В это отверстие вставляли проволоку и начинали ее медленно вытягивать в горизонтальном положении. За проволокой тянулась струя жидкого металла, она удерживала круглую форму силами поверхностного натяжения. Сразу по выходе из отверстия металл охлаждался холодной водой и попадал на тянущие ролики и далее на моталку. Вот и весь процесс (рис. 10). Василий Георгиевич — очень скромный, слегка заикающийся человек — дневал и ночевал на заводе; он чрезвычайно радовался, что его метод нашел такое широкое применение.
Буквально за один-два месяца было сооружено много печей с установками для вытягивания проволоки, и цех стал выдавать продукцию в количествах, полностью обеспечивающих потребность промышленности. На этой проволоке советские авиационные заводы проработали всю войну. Группа специалистов во главе с Головкиным награждена в 1943 г. Сталинской премией. Я тоже занялся заклепками. Вместе с конструктором Ю. Трескиным из Гипроавиапрома мы спроектировали и соорудили герметичный бак, внутри которого была установлена плавильная печь, а под печью — медная форма, охлаждаемая водой, с отверстиями для сотни заклепок. Жидкий металл под давлением заполнял и кристаллизовался в медной форме. Первая порция готова, за ней — вторая, третья. Заклепки получились точные по форме, с блестящей поверхностью, мелкой структурой и хорошими свойствами. Они прекрасно расклепывались и были готовы к употреблению. Но к тому времени, когда работы с ними были закончены, литая проволока уже полностью обеспечивала промышленность, и литые заклепки остались в истории металловедения как яркое свидетельство возможностей литого металла, полученного в оптимальных условиях.
Знаменитое совещание авиационных металлургов зимой 1943 г. Зимой 1943 г., в январе или феврале, в Ступино состоялось I Всесоюзное совещание металлургов авиационной промышленности, на котором присутствовало до 200 участников. В основном оно было посвящено методам отливки слитков алюминиевых сплавов и связанным с этой проблемой теоретическим вопросам. В металлургии медных сплавов работали братья Мясоедовы, продвигавшие свой метод непрерывной отливки слитков и пытавшихся применить его в алюминиевой промышленности. Разница в методах была существенной. Мясоедовы предлагали отливать слитки в высокий, до одного метра, кристаллизатор. В этом случае затвердевание металла заканчивалось внутри кристаллизатора, уровень термических напряжений существенно снижался, разрывов слитков практически не было. Но при этом появлялся тот же воздушный зазор, что и в изложницах, и соответственно структура слитка резко ухудшалась. В авиационной промышленности использовались короткие кристаллизаторы 150–250 мм, и основная масса металла затвердевала ниже кристаллизатора при непосредственном соприкосновении с льющимися потоками воды; скорость охлаждения и термические напряжения возрастали, опасность разрывов слитков увеличивалась, но структура и свойства существенно улучшались.
На конференции были заслушаны и обсуждены три основных доклада: В.А. Ливанова о закономерностях и опыте литья плоских слитков с непосредственным охлаждением металла водой; В.И. Добаткина о закономерностях и опыте литья круглых слитков с непосредственным охлаждением водой; И.Н. Фридляндера о влиянии скорости охлаждения кристаллизующегося металла на его структуру и свойства.
Концепция братьев Мясоедовых была полностью отвергнута, был взят твердый курс на освоение непрерывной отливки с непосредственным охлаждением водой, т.е. с максимально возможной скоростью охлаждения. К концу войны на заводах авиационной металлургии не оставалось ни одной изложницы для отливки слитков алюминиевых сплавов: полностью перешли на непрерывный метод литья, качество металла радикально улучшилось. В этом отношении отечественная металлургия алюминиевых сплавов ушла намного вперед, чем западные страны, и обогнала черную отечественную металлургию, где и на сегодняшний день все еще большая часть металла отливается в изложницах с низким качеством слитков и большими потерями при отрезке дефектных верхней и донной части слитков (рис. 11).
Совещание в Ступино осталось в памяти всех участников не только как крупное научное и техническое событие в развитии авиационной промышленности, запомнилось оно и той обстановкой, в которой проводилось.
Надо отдать должное Александру Федоровичу Белову, который был великим мастером преподносить различного рода сюрпризы. После докладов участники совещания собрались на праздничный ужин. Большой длинный стол был сервирован, как в лучшие предвоенные годы: икра красная и черная, балыки, жареные поросята и несметное количество разного рода бутылок. И это в условиях, когда сидящие за столом каждый день тщательно отмеряли, сколько можно съесть хлеба и сколько положить сахара в стакан, ибо все продукты отпускались строго по очень низким нормам. К ужину приехал нарком авиационной промышленности. Он горячо приветствовал авиационных металлургов и призвал их полностью обеспечить самолетные и моторные заводы качественным металлом, что приближало тем самым победу над фашистской Германией.
