Волшебник из склянки
И как только джинн вышел из бутылки,
он стал творить чудеса...
Восточная сказка
«Я в печи испечен»
Быть может, всю историю обработки материалов можно изложить в пяти словах: камень—медь—бронза —железо— сталь. В этих словах — смена различных материалов, а, следовательно, и смена режущих инструментов. Наш пращур имел на вооружении каменный топор, который он сделал с помощью более твердого камня. Медные и бронзовые дротики сарацинов оттачивались на куске кремня. Железные копья и стрелы средневековых рыцарей отбивались на более твердом куске железа. Сталь обрабатывали более твердой, позднее — закаленной сталью...
Почти до конца XIX столетия металлорежущие инструменты изготавливались главным образом из закаленной углеродистой стали. Однако такой инструмент, обладая сравнительно невысокой твердостью и малой теплостойкостью (уже при 200—250 градусах тепла резец из такой стали «садился»), тормозил рост скоростей резания металлов, и она не превосходила 6—10 метров в минуту. В начале текущего столетия началась эра более твердой — быстрорежущей стали. Ее теплостойкость уже достигала 500—600 градусов, что позволило повысить скорость резания до 50—80 метров в минуту.
Но и эта инструментальная сталь не всегда способна обработать некоторые новые материалы. И тогда положение спасли твердые сплавы.
Все началось с того, что 12 мая 1826 года на собрании ученых выступил профессор П. Г. Соболевский. Он положил на стол три платиновые монеты достоинством в 3, 6 и 12 рублей. Это никого не удивило — такие монеты были тогда в ходу. Однако необычность этих металлических денег заключалась в том; что они были не отчеканены, а спечены из платинового порошка в печи с применением прессования.
Так возник совершенно новый метод получения твердых и сверхтвердых материалов — порошковая металлургия.
Надо сказать, что ее история исчисляется многими тысячелетиями. Так, в гробницах египетских фараонов обнаружили холодное оружие, украшенное порошкообразным золотом. В индийском городе Дели возвышается колонна из чистого железа — ей более 2 тысяч лет, но она нисколько не пострадала от ржавчины. Полагают, что колонна изготовлена методом порошковой металлургии. Мастера Киевской Руси славились своими кричными изделиями — это тоже продукт порошковой металлургии.
Производство твердых сплавов по новому методу было впервые организовано в СССР — в 1923 году на Московском заводе им. Баскакова.
В 1929 году в Германии появился твердый сплав, которому дали наименование «видиа» (от немецких слов «ви диамант» — как алмаз). Год спустя в СССР был выпущен твердый сплав победит, нисколько не уступавший немецкому.
Основой для получения твердых сплавов являются тончайшие металлические порошки карбидов тугоплавких металлов — вольфрама, титана, ниобия, никеля и кобальта. Глядя на рыхлую, серебристо-пепельную металлическую «муку» (размер ее крупинок 1—4 микрона), никак не скажешь, что из нее получают материал с микротвердостью, намного превосходящей сталь. Порошок прессуют, а потом спекают в атмосфере инертных газов, с одновременным сильным сжатием под прессом. При этом происходят сложные физико-химические процессы, в результате которых шихта претерпевает значительную усадку, сильно уплотняется, превращаясь в тяжелый, твердый монолит. «Испеченный» в печи брикет становится превосходным инструментальным твердосплавным материалом. Некоторые твердые сплавы по своей износостойкости в 60 раз превосходят быстрорежущую и в 100 раз углеродистую стали. Штампы, армированные твердыми сплавами, выдерживают при изготовлении лезвий безопасных бритв до двух миллиардов штамповок (а стальные — только 15 миллионов). Твердосплавные прокатные валки в 50—100 раз более стойки, нежели стальные. Режущие инструменты из твердых сплавов сохраняют свои рабочие свойства вплоть до температуры 1000—1200 градусов (в 2,5 раза выше, чем у самой лучшей быстрорежущей стали).
С появлением нового инструмента скорость резания резко поднялась — до уровня 200—300 метров в минуту и даже больше.
В СССР выпускаются два типа твердых сплавов, предназначенных для изготовления инструментов: вольфрамо-кобальтовые (марок В К) и титано-вольфрамо-кобальтовые (марок ТК). Сплавы марок ВК содержат от 80 до 92% карбида вольфрама и от 2 до 20% — кобальта. Сплавы марок ТК состоят из карбидов вольфрама (от 34 до 85%), титана (от 5 до 60%) и кобальта (от 6 до 10%).
Год от года растет производство и потребление твердых сплавов. Почти 70% всего их количества расходуется на изготовление режущих инструментов, 10% — на штампы и волоки, а остальное — на буровые коронки и прочие нужды. Уже в 1958 году выпуск твердых сплавов составил 0,1% от всего мирового производства стали. За прошедшие с той поры годы это соотношение наверняка значительно возросло. Но если принять его и сегодня, то лишь в главных капиталистических странах было произведено в 1969 году не менее 350 тысяч тонн твердых сплавов.
Но, — и это непреложный закон развития, — новое в свою очередь порождает новое. Так произошло и с твердосплавными инструментами, в первую очередь режущими. Чтобы заточить их, понадобились какие-то иные материалы, ибо старые (корунд, наждак и др.) уже не в состоянии были справиться с этим. Инженеры-металлообработчики рассудили так: если скрепляющей основой твердого сплава является карбид, то не попытаться ли «испечь» на его основе более твердый материал, который смог бы стать «точилом» для твердосплавного лезвия?
В начале 90-х годов прошлого века американец Ачесон впервые применил для обработки металлов порошок карбида кремния зеленого. Это было важным новшеством в деле заточки инструментов. Позже появились и другие карбиды — бора, циркония. При обработке многих материалов они и поныне показывают высокую эффективность.
Однако с появлением твердосплавных материалов все старые «точила» оказались непригодными. В результате многие новые превосходные инструментальные материалы долгое время не могли найти широкого применения. Едва не возник технологический тупик: имеются превосходные твердосплавные инструменты, но их заточка с каждым днем все более и более затрудняется.
И тут на помощь пришел алмаз.
Но для того чтобы он мог стать «точилом», его сначала пришлось превратить в порошок.