Покоренный электрон

Секрет закаливания стали, открытый русским ученым, оказался очень важным не только для изготовления холодного оружия; современные станки и машины строятся по высоким классам точности. Коленчатые валы моторов, шестерни, оси, разнообразные детали станков, инструменты требуют умелой, поверхностной закалки.

Однако закалить изделие только по поверхности — дело нелегкое. Ведь в горне изделие нагревается все целиком, а не только снаружи. Способы закалки поверхностного слоя изделий разрабатывались, но они были сложны и не всегда давали надежные результаты.

Эта трудная задача была наконец решена с помощью электроники.

Волшебство высоких частот

Лет сорок назад в цирках показывали забавный фокус. На арену выходил «факир» и ставил на простой деревянный стол обыкновенную сковородку. Кто-нибудь из зрителей осматривал сковородку и убеждался, что она совершенно холодная, а стол действительно деревянный.

Фокусник бросал на сковородку кусочек масла, оно начинало шипеть, — фокусник жарил на «холодной» сковородке яичницу и на глазах изумленной публики съедал ее.

Зрители придирчиво проверяли все манипуляции фокусника и видели, что сковорода, поставленная на деревянный стол, от какой-то неведомой причины раскалялась до того, что на ней жарилась яичница.

Объясняется фокус просто. Под крышкой стола был скрыт электромагнит. В обмотку этого электромагнита пропустили сильный переменный ток. В свои права вступила электромагнитная индукция. Под влиянием переменного тока, протекавшего по обмоткам электромагнита, в металле, из которого сделана сковорода, возникли индуктивные токи. Они-то и разогрели ее.

Индуктивный нагрев металла был достаточно хорошо известен электротехникам. Он считался вредным явлением, так как возникавшие индуктивные токи вызывали перегревание электрических машин и бесполезную трату энергии.

До 1920 года никому из техников не приходило в голову, что индуктивный нагрев металла можно использовать для производственных целей. Эта идея впервые родилась в Нижегородской радиолаборатории. М. А. Бонч-Бруевичу, изготовлявшему генераторные лампы, понадобилось прогреть анод одной из ламп. Но как нагреть анод, если он заключен внутри стеклянного баллона? Извлечь анод из баллона нельзя — погибнет лампа, да и нагревать анод надо было именно в безвоздушном пространстве. Задача казалась совершенно неразрешимой. Проникнуть в лампу нельзя, а не проникнув, — не нагреешь анода.

Бонч-Бруевич нашел выход из положения. Он изготовил проволочную катушку и надел ее на баллон в том месте, где находится анод. Затем он пропустил по катушке переменный ток высокой частоты. Стекло — плохой проводник тока — осталось совершенно холодным, а анод, под влиянием возникших в нем индуктивных токов, раскалился докрасна, — цель была достигнута.

В. П. Вологдин заимствовал этот опыт и начал применять индуктивные токи для нагрева анодов ртутных выпрямителей, которыми он тогда занимался. Но так как в лаборатории шла напряженная работа по созданию первых советских радиостанций, то В. П. Вологдин на время отложил исследования по высокочастотному нагреву.

Несколько лет спустя, когда В. П. Вологдин вернулся к прерванным исследованиям, он установил, что токи высокой частоты, если их включать на короткое время, прогревают металл, не проникая в глубь его; раскаляется только поверхностный слой, сердцевина же остается холодной.

Далее было найдено, что глубина прогреваемого поверхностного слоя зависит от частоты колебаний тока. Городской осветительный ток, имеющий частоту 50 периодов в секунду, прогревает металл на глубину в несколько сантиметров. Если же включить на короткий срок переменный ток частотой 50 тысяч периодов в секунду, то он нагреет изделие на глубину всего лишь в один миллиметр. Чем выше частота, тем меньше глубина прогреваемого слоя.

И это было именно то, о чем мечтали русские инженеры со времен Π. П. Аносова. Именно такой поверхностный нагрев требовался для безупречно правильной закалки стальных изделий.

С помощью токов высокой частоты удалось разрешить задачу, над которой ученые и инженеры тщетно бились несколько десятилетий.

Лучше толедских мастеров

Первые опыты по высокочастотной закалке были поставлены В. П. Вологдиным в 1925 году на Кировском заводе в Ленинграде. Здесь применили токи высокой частоты для закалки фрез. Затем техническую новинку ввел у себя один из самых передовых заводов нашей страны — автомобильный завод имени Сталина, для быстрой и надежной закалки шеек коленчатых валов автомобильных двигателей.

Был построен закалочный станок. На шейку вала надели петлю из тонкой медной трубки. По этой петле пропустили ток высокой частоты. Прошло 2–3 минуты — поверхность шейки вала нагрелась. Со стороны торна вала было видно, что наружные слои металла раскалились до соломенно-желтого цвета, а сердцевина шейки вала осталась темной и холодной.

Ток выключили, шейку вала быстро охладили. Закалка, длившаяся всего лишь несколько минут, закончилась. Поверхность шейки осталась чистой и гладкой, как и до закалки. Никакой окалины не образовалось.

Отечественная промышленность получила новый, исключительно быстрый, дешевый и надежный способ закалки стальных изделий. Регулируя частоту и мощность тока, можно прогревать изделия на любую глубину и создавать закаленный «панцырный» слой толщиной в 1 миллиметр, а если нужно — и в несколько сантиметров (рис. 115).

Рис. 115. Схема закалки токами высокой частоты.

Резко изменился даже — внешний вид закалочного цеха. На смену старым «калилкам» с их дымом, жарой и чадом пришли сверкающие чистотой высокочастотные установки — ТВЧ. Не черный фартук кузнеца, а синий комбинезон электрика носит теперь мастер закалки.

Многие металлообрабатывающие предприятия Советского Союза ввели высокочастотную закалку. На заводах теперь имеются либо машинные генераторы высокой частоты, либо ламповые генераторы.

Электрон оказался неплохим «толедским кузнецом».

С неменьшим успехом токи высокой частоты служат и для плавки металлов.

Некоторые сплавы можно готовить только с помощью токов высокой частоты. При обычной тигельной плавке на огне расплавленный металл впитывает в себя газы и загрязняется, качество сплава значительно ухудшается. Токи высокой частоты позволяют плавить металл в вакууме, без доступа воздуха и, таким образом, дают идеально чистые сплавы. При этом плавка 100 килограммов металла длится не более 15 минут.

За разработку и внедрение в производство нового метода закалки поверхностей стальных изделий член-корреспондент Академии наук СССР В. П. Вологдин удостоен Сталинской премии, и в апреле 1948 года В. П. Вологдину, первому из ученых, была присуждена золотая медаль имени А. С. Попова.

За создание нового типа кузнечного цеха В. П. Вологдин был вторично удостоен Сталинской премии — настолько ценны оказались его работы по электронике.

Искусственная электрическая лихорадка

Для разогрева неметаллических изделий применяется не индукционная катушка, а конденсатор. Такие конденсаторы промышленных установок напоминают своим видом большие книжные полки.

К пластинам конденсатора подводится напряжение высокой частоты, и между ними возникает быстропеременное электрическое поле, которое воздействует на материал, помещенный в пространстве между пластинами.

Воздействие высококачественного электрического поля на неметаллические изделия своеобразно. В них так же как в металлах получается выделение тепла за счет энергии высокочастотного поля, но нагрев распространяется не по поверхности изделия, а по всей его толще. Колебания электрического поля между пластинами конденсатора высокочастотной установки, проникая в глубь материала, устраивают его частицам, особенно частицам воды, содержащимся в изделии, весьма основательную встряску.