В прошлые выходные (30.03.2013) мы c женой ездили в Новгород, где посетили знаменитый новгородский Кремль, на территории которого также расположено много других памятников архитектуры, в том числе и Новгородский музей-заповедник. Музей, кстати, очень хороший. Именно его посещение навело меня на мысль об этой статье. В музее есть экспозиция, посвященная кузнечному делу на территории нынешнего Северо-Запада России, и указывается, что кузнецы уже примерно в 10-11 вв. обладали достаточно высокой культурой обработки стали, например, применяли ковку и простейшую термообработку (закалка и отпуск), а при изготовлении топоров и ножей применяли технологию сварки ковкой и соединяли таким образом железо с термообработанной сталью, как это показано на рис. ниже. Таким образом получали составную деталь с прочным лезвием из кованой закаленной и отпущенной стали с вязкой железной основой. В экспозиции музея затронута малая часть эволюции процесса обработки металлов давлением (ОМД), о которой и расскажу далее.
Рис. 1. Поперечное сечение лезвия топора и схема
ОМД – одна из трех основных технологий для производства металлоизделий: ОМД, литье, порошковая металлургия [1]. Конечно, есть еще точение, фрезерование и т.п., но это уже из другой оперы. Ни будь заготовок, полученных ОМД или литьем, точить и строгать было бы нечего (разве что дерево).
Так вот ОМД, возможно, является наиболее древним способом обработки металлов из приведённых выше, еще раз подчеркиваю основных. В первых упоминаниях об ОМД на различных территориях Среднего Востока, датируемых примерно 8000 лет до н.э., описывают простые удары молотом при обработке золота и меди [1].
Около 2-го тысячелетия до н.э. племена Северо-Запада нынешней России познакомились с изготовлением изделий из металла. Древние письменные источники указывают, что в те времена, когда англо-саксонские племена еще пользовались каменными топорами, на Руси уже добывали железо как для себя, так и для других. [2, стр. 18]. Раскопки русских городов VII—VIII вв. показывают, что в этих городах работали ремесленники занятые добычей и обработкой металлов [2, стр. 21]. Железо, в основном, добывали из местной болотной руды [2, стр. 21].
Естественно, сначала обрабатываемый металл был довольно грязным, т.к. еще не были развиты методы очистки, поэтому обрабатываемость была ограниченной. Развитие выплавки металлов началось с меди примерно 4000 гг до н.э. Позднее, в медный век, стало ясно, что в результате обработки молотом повышается прочность (сегодня это явление носит название “деформационное упрочнение”). Поиски возможностей получения большей прочности привели к сплавам меди с оловом (бронзовый век, начало примерно 1300 д.н.э.) и железа с углеродом (железный век, начало примерно 1200 лет до н.э.).
По большей части вся ОМД осуществлялась посредством ручного молота вплоть до 13 в. н.э, когда был изобретен хвостовой молот (tilt hammer), который изначально использовался для получения прутков и листов ковкой. Для подъёма молота использовалась энергия воды, а на заготовку молот падал под действием силы тяжести (см. схему ниже). Несмотря на свою относительную простоту этот механизм оставался одним из основных орудий для ОМД довольно продолжительное время.
Рис. 2. Схема хвостового молота [3]
Первые прокатные станы предположительно были разработаны Леонардо Да Винчи, о чем свидетельствуют наброски подобной машины, обнаруженные в его дневниках. Хотя, когда я сам вижу подобные фразы о том, что конкретное изобретение присвоено одному конкретному человеку, то немного съёживаюсь от несогласия. Ведь любое изобретение является компоновкой достижений многих людей, их наблюдений и опыта. Наверняка, тогда уже кто-то придумал скалку для раскатки теста. Но это отступление. Итак, в 1945 обнаружилось, что Да Винчи использовал прокатный стан с ручным приводом для прокатки листов из драгоценных металлов.
Рис. 3. Эскиз Леонардо да Винчи прокатного стана [4]
Вслед за Леонардо несколько различных вариаций прокатных станов появилось в Германии, Италии, Франции и Англии. На развитие больших станов способных прокатывать чёрные металлы ушло еще около 200 лет. Ранние прокатные станы использовались для прокатки листов и полос и приводились в движение с помощью колёс за счет энергии воды.
Изобретите паровой машины дало мощный толчок как добывающей, так и обрабатывающей металлургической промышленности (и не им одним). Молот уже поднимался за счет энергии пара. С таким оборудованием начали появляться изделия от размеров дверных ключей до размеров деталей локомотивов . В 19 веке пар добрался и до прокатного стана с аналогичными последствиями: стало возможно катать более крупные заготовки, в больших количествах и с меньшей себестоимостью.
Вскоре на смену пару пришло электричество.
За прошедшие сто лет было разработано величайшее множество оборудования для ОМД (механические и винтовые прессы, и всевозможные прокатные станы различной конфигурации), а также материалов с особыми свойствами, таких как HSLA-стали, стали с ПНП, а также титановые сплавы, сплаве на основе никеля, алюминия и т.д. За последние двадцать лет особое развитие получило моделирование процессов ОМД, что также увеличило эффективность процессов и качество выпускаемой продукции.
Скоро напишу подобную же статью о развитии металловедения, так что рекомендую подписаться на обновления блога.
Ссылки
[1] ASM Handbook vol. 14 “Forming and Forging”, ASM INTERNATIONAL, 1988
[2] В. В. Данилевский. Русская техника. Ленинградское газетно-журнальное и книжное издательство, 1947.
[3] www.ridgewayhistory.org
[4] www.ssplprints.com
Добавить комментарий