Однородность или неоднородность?

Как мы уже выяснили, в начале XIX века существовали два совершенно противоположных подхода к природе стали, обеспечивающих ее высокое качество. Ле-Шателье и Карстен, известные западноевропейские метал­лурги, полагали, что хороший металл должен обладать однородной структурой: «Чем красивее структура, тем она хуже с точки зрения практики». П. П. Аносов считал, что чем неоднороднее металл, чем более подчерки­вается неоднородность рисунком, тем выше свойства стали.

Современная наука подтвердила правомерность обо­их этих взглядов. Каждый из способов был использован для получения высокопрочных материалов.

В последние годы с большим успехом развивается совершенно новое направление производства «однород­ных» сплавов—получение так называемых аморфных металлов. Жидкий сплав охлаждают с огромной ско­ростью, благодаря чему он переходит в твердое состоя­ние, минуя кристаллическую фазу. Свойства таких «стеклообразных» металлов очень высокие. Так, напри­мер, прочность аморфного сплава железо—углерод— фосфор в 10 раз больше обычного (кристаллического). Кроме того, подобно железу, падавшему на Землю из космического пространства, аморфные сплавы обладают высокой стойкостью против атмосферной коррозии.

И все-таки слоистая структура булата и способы ее получения лежат в основе технологии производства ма­териалов, также превосходящих по прочности обычные «однородные» стали. Для того чтобы понять природу упрочнения слоистых материалов, давайте мысленно проделаем такой эксперимент. Возьмем кусок картона я попробуем его разорвать. После этого наклеим на кар­тон обычную бумагу и вновь испытаем его прочность на разрыв. Как, по-вашему, она увеличилась? Ответ на­столько ясен, что вопрос, вероятно, вызовет улыбку читателя.

Между тем только в 30-е годы нашего столетия было обнаружено, что прочность двух сваренных между собой пластинок из твердой и мягкой стали значительно выше прочности каждой из них в отдельности. Такой эффект повышения прочности слоистого материала считался крупным научным открытием нашего времени!

Алексей Максимович Горький часто показывал сво­им гостям три небольших металлических бруска. Это первые самозатачивающиеся резцы, сделанные в 1926 году талантливым ученым и изобретателем А. М. Иг­натьевым — большим другом писателя. Каждый резец состоит из нескольких металлических слоев разной твер­дости. Булатную структуру инструмента автор изобре­тения заимствовал у... бобров. Он заметил, что самозатачивающиеея зубы бобров и других грызунов состоят из твердых наружных слоев и мягких внутренних. Изоб­ретение А. М. Игнатьева было в свое время запатенто­вано в США, Англии, Франции и многих других странах.

Сегодня слоистые материалы находят широкое при­менение в химической, электротехнической, машино­строительной, пищевой и других отраслях промышлен­ности, а также в ювелирном деле и медицине. Предста­вителями их являются биметаллические изделия, листы и ленты, изготовляемые металлургической промышлен­ностью. Такие изделия привлекают не только проч­ностью, но и высокими физико-химическими свойствами материала в целом. Основой для большинства биметал­лов является обычная низкоуглеродистая сталь, плаки­рованная (покрытая) коррозионно-стойкими и кислото­упорными сплавами, никелем, кобальтом и титаном. Тол­щина покрытия обычно составляет 10—50% от общей толщины. Эксплуатационные свойства таких биметаллов изменяются в широких пределах.

В качестве основы для покрытия применяются также углеродистые и легированные стали и чугуны. Знамена­тельно, что, подобно булату, двухслойные и трехслойные углеродистые легированные и инструментальные стали нашли широкое применение для производства различ­ного инструмента, промышленных ножей, пил, штампов, лемехов и лущильников тракторных плугов.

Как тут не вспомнить заключительные строки сочи­нения П. П. Аносова «О булатах»: «Оканчиваю сочине­ние надеждою, что скоро... наши земледельцы будут об­рабатывать землю булатными орудиями, наши ремес­ленники выделывать свои изделия булатными инстру­ментами, одним словом, я убежден, что с распростране­нием способов приготовления и обработки булатов они вытесняют из употребления всякого рода сталь, употреб­ляемую ныне на приготовление изделий, требующих особенной остроты и стойкости».

Многослойные металлы изготовляются несколькими методами. Некоторые из них очень похожи на один из способов приготовления булата. В изложницу (форму), в которую заливают жидкую сталь, помещается несколь­ко попарно скрепленных пластин плакирующего метал­ла на некотором расстоянии друг от друга. Между по­верхностями соприкосновения пластин каждой пары расположен слой разделяющего вещества. Заливкой в изложницу жидкого металла получают многослойный слиток, из которого после прокатки и обрезки кромок получают один трехслойный и два двухслойных листа. Подобным образом в изложнице устанавливают боль­шее количество пластин и получают слиток с 5—9 слоя­ми. Можно с полным основанием утверждать, что таким способом можно делать и булат...

Металлические усы

Это произошло в Англии во время второй мировой вой­ны. Новые, весьма необходимые автоматические прибо­ры, использующиеся в военной технике, выходили из строя один за другим — замыкались контакты. Причи­ну замыкания долго найти не могли. Наконец, после тщательного наблюдения установили: виновники ава­рии — тонкие волоски олова, выступавшие на тончай­шей оловянной пленке, нанесенной на сталь. Волоски состригли, и приборы начали работать. Через некоторое время контакты вновь замкнулись, и исследователи опять обнаружили все те же волоски олова. Сколько их в дальнейшем ни «стригли», они вырастали вновь. Во­лоски были названы усами.

После войны многие ученые начали исследовать при­чины появления усов, определять их свойства. Ус имел толщину около 1,5 мк. Оказалось, что тончайший ус об­ладал колоссальной прочностью. Если бы такой волосок имел сечение в 1 мм², он бы выдержал нагрузку в не­сколько сот килограммов! Это значит, что прочность металла близка к теоретической. Рентгеноструктурный анализ помог разгадать чудесные свойства усов: они представляли собой почти бездефектные, «идеальные» монокристаллы чистого олова!

Как показали дальнейшие эксперименты, отсутствие дефектов в усах объяснялось условиями их роста и ма­лыми размерами. Они росли столь быстро, что дефекты просто не успевали возникнуть. Стоило увеличить раз­меры усов, дефекты кристаллической решетки появля­лись, и прочность резко падала. Было обнаружено, что усы даже после рождения могут быстро «портиться» за счет появления примесей в результате окисления их по­верхности. Поэтому надо было принимать специальные меры для хранения выращенных усов. Поскольку усы состояли из отдельных нитей, их назвали также ните­видными кристаллами.

Сегодня существует более 100 способов получения монокристаллов. Наиболее совершенными свойствами обладают нитевидные кристаллы, полученные осажде­нием из газовой фазы. В трубчатую печь помещают алундовую или кварцевую лодочку с хлористой солью металла. При нагреве происходит возгонка соли. Через печь пропускают водород, который восстанавливает соль до металла. Нитевидные кристаллы появляются на стен­ках лодочки в виде пушистых наростов — усов. Рост нитевидных кристаллов связан с влажностью, чистотой и количеством соли, стабильностью режима восстанов­ления. Определяющими всегда являются температура и скорость восстановления.

В Советском Союзе в 60-х годах Е. М. Савицкий с сотрудниками получил нитевидные кристаллы почти всех тугоплавких металлов. В настоящее время полу­чают нитевидные кристаллы чистых металлов размером 2—10 мм и толщиной от 0,5 до 2,0 мк, практически лишенные дефектов кристаллической решетки. Эти мо­нокристаллы обладают прочностью, близкой к теорети­ческой. Так, например, предел прочности монокристал­лов железа составляет 13 000 МПа, меди — 3000 и цин­ка 2000 МПа, в то время как техническое железо имеет предел прочности 300 МПа, медь — 250 и цинк 180 МПа.

Исследование поверхности нитевидных кристаллов показало, что она не имеет микроскопических трещин, остается «атомно гладкой». Кристаллическая решетка усов характеризуется почти полным отсутствием дисло­кации. Таким образом, отсутствие в металле приме­сей при определенных условиях обеспечивает бездефект­ную структуру его кристаллов. Бездефектная структура чистых («однородных») металлов является надежным способом повышения их прочности.

Вот они, современные булаты

С современной точки зрения булат — композиционный материал, состоящий из двух металлических фаз. Одна из фаз — мягкое железо, другая — высокоуглеродистая сталь. Таким образом, булат представляет собой объем­ное сочетание разнородных компонентов, один из кото­рых пластичный, а другой обладает высокой проч­ностью.

В «Основных направлениях экономического и соци­ального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года» предусматривается дальнейшее повыше­ние качества продукции на основе всемерного использо­вания достижений научно-технического прогресса. Боль­шое внимание при этом обращается на улучшение ка­чества металлов и сплавов с целью обеспечения их вы­сокой прочности, износостойкости, долговечности, коррозиестойкости. Одним из перспективных путей решения этих задач является создание композиционных материа­лов.

Очень близки по своему строению к булату так на­зываемые естественные композиционные стали, пред­ставляющие собой композиции из мягкой матрицы и распределенных в ней высокопрочных волокон второй фазы, значительно более прочной, чем сама матрица.

Подобно тому как в древности люди присматрива­лись к волокнам древесины, чтобы научиться ковкой по­вышать прочность железа, в наше время — стремятся заимствовать у природы строение и свойства компози­ционных материалов. Только делается это на высокой научной основе. Известно, что древесина представляет собой композицию целлюлозы с лигнином. Волокна цел­люлозы обладают высокой прочностью на разрыв, но низкой на срез. Лигнин связывает волокна в единое це­лое и сообщает древесине жесткость. На этом принципе и были созданы новые материалы, представляющие со­бой композицию из мягкой основы (матрицы) и высоко­прочных волокон или пластин, выполняющих роль ее арматуры. В таком материале, так же как и в древеси­не, основную часть нагрузки воспринимают волокна, а матрица служит средой, передающей нагрузку от одно­го волокна к другому.

Во всяком компактном материале, например в леги­рованных сталях и сплавах, нагрузку воспринимает ма­териал в целом. Поэтому возникшая трещина быстро распространяется и приводит к хрупкому разрушению металла. Чем выше прочность материала, тем меньше его сопротивление хрупкому разрушению. В компози­ционном материале трещина, возникшая при разруше­нии прочного волокна или пластины, гасится мягкой матрицей. Поэтому наряду с высокой прочностью такие материалы обладают и высокой вязкостью, и в этом отношении они также как бы продолжают традиционные свойства булатной стали.

Любая доэвтектоидная сталь после закалки по опре­деленному режиму может иметь феррито-мартенситную структуру. Но это еще не композиционный материал. Как же превратить его в композит? Для этого необхо­димо, чтобы участки мартенсита были слоистыми, то есть имели соизмеримые размеры в двух направлениях и намного меньший размер в третьем. Такую структуру получают при помощи термомеханической обработки.

Для получения композиций с направленной феррито-мартенситной структурой доэвтектоидную сталь про­катывают при температуре, обеспечивающей ей двух­фазную структуру — аустенит и феррит (рис. 2). Непо­средственно после прокатки сталь закаливают, и слои аустенита превращаются в мартенсит, а феррит остает­ся в прежнем состоянии. Это и приводит к образованию композиции из слоистого мартенсита, расположенного в мягкой ферритной матрице.

Так же как и булатная структура, структура компо­зиционной феррито-мартенситной стали обеспечивает увеличение ее прочности более чем в 2 раза по сравне­нию с обычной сталью такого же состава. Так же как и в булате, прочные, твердые слои мартенсита соединены с мягкой пластичной ферритной матрицей, и в связи с этим композиционная сталь имеет более высокую вяз­кость и смещение порога хрупкого разрушения к более низким температурам.

Знаменательно, что идеи Д. К. Чернова о возмож­ности получения булатной структуры, используя струк­туру эвтектоидного или эвтектического типа, практи­чески полностью воспроизведены в так называемых эв­тектических и эвтектоидных композициях. Получение этих композиций связано с использованием различных фазовых превращений в сплавах, в частности с кристал­лизацией жидкости (эвтектическое превращение) или с превращением в твердом состоянии (эвтектоидный рас­пад). В результате эвтектического превращения в сис­теме образуются две или более твердые фазы, выпадаемые одновременно в виде механической смеси, называе­мой эвтектикой.

Одним из наиболее изученных и перспективных спо­собов создания композиционных сплавов такого типа яв­ляется направленная кристаллизация. Этот способ обеспечивает достаточно резко выраженную физически неоднородную структуру со строгой ориентацией фаз в пространстве. В эвтектических композициях реализуется идеальная структура — высокопрочные нитевидные кристаллы армируют пластичную и вязкую матрицу.

Не может быть сомнений в том, что, если бы П. П. Аносову предъявили такую структуру, он ее тотчас же назвал бы булатом...

Твердые, как алмазы

Очень высокая прочность и большая твердость материа­ла достигается в искусственных композициях, которые еще в большей степени повторяют структуру булата. Принцип их создания давно известен. Подобно тому как в природном бамбуке мягкая целлюлозная матрица упрочняется жесткими и прочными нитями окиси крем­ния, принцип создания искусственных композиций за­ключается в сочетании (соединении) разнородных ма­териалов. Еще в Древней Греции при строительстве Парфенонского храма широко использовались комбини­рованные материалы. Мраморные колонны храма армировались железными стержнями. В XVI веке при постройке храма Василия Блаженного в Москве знамени­тые русские зодчие Барма и Постник применяли камен­ные плиты, армированные стальными полосами. Давно известен железобетон, который состоит из бетона, рабо­тающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение.

Новые композиционные материалы отличаются от обычных традиционных сплавов прежде всего булатной неравновесной структурой и очень высокими механи­ческими свойствами.

Длительное время в качестве инструмента для обра­ботки твердых материалов использовали алмаз. В про­изводстве лампочек накаливания для волочения воль­фрамовой нити применяли исключительно алмазные фильеры. Особенно дорого стоили алмазные фильеры для протяжки проволок больших диаметров. Естествен­но, что дорогостоящие и дефицитные алмазы всячески старались заменить каким-либо другим по возможности равноценным и дешевым материалом.

В начале XX века появились исследования, показы­вающие, что алмаз можно заменить твердыми и тугоплавкими, но более дешевыми карбидами металлов. Лучше всего для этой цели подходил карбид воль­фрама. Попытки применить литой карбид вольфрама но дали положительных результатов — изделия имели низкую прочность и высокую хрупкость. Дальнейшие поис­ки показали, что хрупкость карбида вольфрама можно несколько уменьшить при сохранении высокой твердос­ти посредством добавления железа, никеля и лучше все­го кобальта. В 1923 году в Германии патентуется спо­соб спекания карбида вольфрама с применением в ка­честве цементирующей связки кобальта до 10%. В более поздних патентах содержание кобальта увеличивается ДО 20%.

Положительный опыт использования твердых спла­вов при волочении вольфрамовой проволоки открыл ши­рокий путь для применения этого материала не только для фильер, но и в других областях техники в качестве твердосплавного режущего инструмента. Так, изделие, предназначенное для одной узкой цели — производства лампочек накаливания с вольфрамовой нитью,—полу­чило совершенно непредвиденное вначале универсальное значение.

Впервые спеченный твердый сплав для режущего ин­струмента был получен на основе монокарбида воль­фрама и кобальта в 1923—1925 годах германской фирмой «Осрам» по патенту немецкого инженера Шрёттера. В 1926 году промышленное производство таких сплавов под названием «видиа» было начато фирмой «Крупп». Видиа оказался очень хорошим материалом для метал­лорежущих резцов, наконечников для напайки на свер­ла, пластинок для фрез, пил, зенкеров и разверток. Бла­годаря новому композиционному материалу оказалось возможным обрабатывать резанием такие стали и чугуны, из которых раньше можно было получать изделия только ковкой или литьем. Новый материал, как в свое время быстрорежущая сталь, произвел революцию в машиностроении.

В Советском Союзе появление спеченных инструмен­тальных твердых сплавов относится к 1929—1930 годам, когда на Московском электроламповом заводе были из­готовлены первые образцы такого сплава на основе кар­бида вольфрама и кобальта под названием «победит». Второй советский сплав на хромомарганцевожелезной основе был самым дешевым твердым сплавом из всех известных в мире. Долгое время, вплоть до Великой Отечественной войны, он был известен под названием «сталинит» и имел большое распространение. Его ши­роко применяли для наплавки деталей с целью предо­хранения от сильного износа при истирании, особенно для покрытия зубьев врубовых машин, всевозможных дробящих механизмов, экскаваторов, шнеков. Одна из марок этого сплава (сталинит-2) по сопротивлению ис­тиранию превосходила лучший зарубежный сплав— вокер.

Современная технология получения твердых спла­вов состоит в следующем. Порошки карбида вольфрама и кобальта тщательно перемешивают, формуют в заго­товки и спекают в вакууме при температуре 1400— 1500°С. При этой температуре появляется жидкая фаза па основе кобальта, которая «склеивает» частицы кар­бида и обеспечивает получение компактного материала. Так же как и железо в булате, добавка кобальта к кар­биду позволяет получить материал, обладающий одно­временно высокой твердостью и достаточной прочностью и вязкостью.

Применение инструмента из спеченных твердых спла­вов на основе карбида вольфрама и кобальта имеет огромное значение для промышленности. С помощью этого материала удалось в несколько раз повысить ско­рость резания при обработке металлов по сравнению со скоростями, применявшимися при использовании быстро­режущей стали. Замена стали «твердосплавными була­тами» в производстве металлической проволоки повыси­ла в 1000 раз стойкость волок—приспособлений, через калиброванные отверстия которых тянут проволоку.

При замене стальных штампов на твердосплавные их стойкость возрастает в 50—100 раз. Значительное при­менение получили твердосплавные буры, используемые в горном деле. Их стойкость в десятки раз выше, а ско­рости бурения в несколько раз больше, чем у сталь­ных.

Повышение производительности труда при примене­нии твердых сплавов во многих отраслях техники обес­печивает высокую эффективность работы дорогостоящего и дефицитного вольфрама. Так, например, по данным советского ученого В. И. Третьякова, инструментом из твердого сплава, имеющего в своем составе 1 кг воль­фрама, можно обработать в 5 раз больше металла, чем инструментом из быстрорежущей стали с тем же коли­чеством вольфрама.

В последнее время получают распространение твер­дые сплавы на основе карбида титана с никель-молибде­новой связкой. Сравнительно дешевый и недефицитный карбид титана в ряде операций обеспечивает достаточ­но высокую стойкость режущему инструменту.

Несмотря на эти достижения, поиск путей повыше­ния износостойкости режущего инструмента продолжа­ется. Одним из новых и важных источников решения этой проблемы является технология нанесения нитридных и карбидных износостойких покрытий на режущий инструмент, в том числе твердосплавный.

Харьковские инженеры-изобретатели А. Романов, Л. Саблев и А. Андреев разработали метод нанесения таких покрытий потоками высокотемпературной плазмы. Износостойкость обработанного в вакуумной камере по­токами плазмы режущего инструмента в 3—6 раз боль­ше, чем у обычного. Повышение стойкости объясняется образованием тонкой, но очень прочной пленки из нитрида или карбида титана на режущей кромке ин­струмента. Для реализации прогрессивной технологии в промышленных условиях создана специальная уста­новка. И не случайно эта установка известна под на­званием «Булат»...

«Булат» получит широкое применение в одиннадца­той пятилетке. В «Основных направлениях экономи­ческого и социального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года» указано: «Организо­вать производство в широких масштабах новых видов инструмента, в том числе с применением износостойких покрытий...» Структура, обеспечивающая сотни лет на­зад высокие режущие свойства булата, повторилась в современных твердых сплавах и износостойких покры­тиях.

И все-таки полностью твердые сплавы заменить ал­маз не могут. Только алмазные волоки способны дли­тельное время противостоять разрушающему действию движущейся металлической проволоки. Стойкость ал­мазных волок в тысячи раз больше стальных, и они практически незаменимы при волочении тонких прово­лок из высокопрочных сплавов, особенно в тех случаях, когда требуется точная окружность, постоянство диамет­ра сечения и гладкая поверхность. Нити парашютной ткани протягиваются только с помощью алмазных во­лок. Они обеспечивают нити необходимую гладкость, которая гарантирует своевременное и быстрое раскры­тие парашюта.

Примечательно, что первый цех алмазного инстру­мента в нашей стране был создан в конце прошлого века Константином Сергеевичем Алексеевым (Стани­славским), которого мы знаем как выдающегося режис­сера и основоположника системы воспитания актера. На московской фабрике «волоченого и плащеного зо­лота и серебра», где начиналась его трудовая жизнь, выпускали тончайшую проволоку, канитель (тонкую ви­тую проволоку), серебряные и золотые изделия из них. В производстве применялись чугунные волоки, с по­мощью которых процесс вытяжки тонкой проволоки был очень длителен («канительным»—как теперь говорят). Применение алмазного инструмента затруднялось в связи с тем, что вплоть до конца XIX века производство волок из драгоценных камней было монополией запад­ных фабрикантов, в основном французских и итальян­ских. К. С. Станиславский едет за границу, знакомится с производством алмазного инструмента и по возвраще­нии в Москву организует цех по изготовлению алмаз­ных волок. На состоявшейся в 1900 году Всемирной промышленной выставке в Париже продукция золото-канительной фабрики получила высшие награды, а Кон­стантин Сергеевич был награжден медалью с дипломом выставки.

Как же обрабатывают алмаз, если он самый твердый из известных материалов? Долгое время алмазы слу­жили только для украшений, но обрабатывать их не умели, и изделия из них выглядели порой весьма туск­ло. В 1475 году голландец Людвиг Беркен открыл спо­соб гранить, шлифовать и полировать алмазы при по­мощи порошка этого же драгоценного минерала. Он впервые обработал для бургундского герцога Карла Сме­лого крупнейший алмаз лимонного цвета, придав ему форму, напоминающую розу. Затем был отполирован легендарный алмаз «Санси», купленный в свое время П. Н. Демидовым и привезенный в Россию. После поли­ровки камни, сверкающие всеми своими гранями, стали очень красивыми. С того далекого времени по сей день алмазы обрабатывают алмазным же инструментом.

На станке, подобном токарному, алмазную заготов­ку обтачивают острыми выступами другой такой же заготовки. Распиливают, шлифуют или сверлят алмаз алмазным порошком, нанесенным на быстро вращаю­щийся инструмент. В последнее время для ускорения обработки применяется вибрация инструмента с ультра­звуковой частотой.

При обработке алмаза алмазными резцами в отходы превращается больше половины драгоценного кристал­ла. Таким образом, процесс обработки алмаза очень трудоемкий и дорогой. Но это еще не все. Оказывает­ся, механическим способом алмаз удается обрабатывать не во всех направлениях. Особенности кристаллической решетки алмаза делают его неодинаково твердым в раз­ных плоскостях. Поэтому алмаз поддается механической обработке только по «мягким» направлениям, и рас­пиливать его можно лишь так, чтобы плоскость среза соответствовала расположению атомов углерода в плос­костях куба и ромбододекаэдра.

В последнее время для обработки алмаза начали использовать луч лазера, который выжигает вещество. Импульс света делает в алмазе воронку. Серией им­пульсов, направленных в одну точку, алмаз сверлят, а располагая импульсы в ряд—режут. При лазерной об­работке поверхность воронок трескается из-за сильных термических напряжений. Слои алмаза, нарушенные ла­зером, приходится удалять с помощью все той же ме­ханической обработки.

Ученые долгое время искали новые эффективные способы обработки алмаза. Один из таких способов, су­щественно упрощающий изготовление традиционных из­делий из алмаза и открывающий новые возможности его обработки, найден в Якутском филиале Сибирского отделения АН СССР. Он основан на явлении, давно известном металлургам,— растворении алмаза в железе. Помните, как П. П. Аносов вводил алмаз в сталь, на­деясь получить новую форму существования в ней угле­рода? Зная об этом, нет причины удивляться тому, что железом можно резать алмаз!

Каждый атом углерода в структуре алмаза соединен со своими соседями четырьмя прочными связями, назы­ваемыми ковалентными. Природа этих самых прочных связей определяется небольшим размером атомов угле­рода. С другой стороны, благодаря своему небольшому размеру, атомы углерода при соответствующей темпе­ратуре способны проникать в решетку металлов, обра­зуя твердый раствор внедрения. Растворять в себе угле­род могут не все металлы, а только те, атомы которых имеют недостроенную внутреннюю электронную оболоч­ку. Они называются переходными металлами. Из пере­ходных металлов лучше всего в твердом состоянии угле­род растворяет железо, никель и кобальт.

Много лет назад во Франции для подтверждения углеродной природы алмаза был проделан следующий эксперимент. Алмаз положили на брусок железа, кото­рый нагрели в нейтральной среде до 1000°С. В месте контакта с алмазом мягкое железо науглеродилось и превратилось в сталь. Этот опыт хорошо объясняет, по­чему железо в ряде случаев не удавалось обрабатывать алмазными резцами.

Читатель уже, наверное, догадался, как можно же­лезом резать алмаз. Действительно, если положить на алмаз железную проволоку и нагреть в вакууме эту систему, то атомы углерода начнут «внедряться» в же­лезо, алмаз будет растворяться, и проволока его разре­жет! Но беда в том, что процесс растворения углерода в железе не бесконечен. Проволока сравнительно быст­ро насытится углеродом, и процесс «резания» сначала резко замедлится, а потом прекратится совсем. Следо­вательно, из железной проволоки надо все время убирать углерод, тогда она не будет терять своих режущих свойств. Но как это сделать? Якутские ученые дали ис­черпывающий ответ на этот вопрос.

Дело в том, что при растворении алмаза в железе происходит разрыв прочных ковалентных связей, кото­рые существуют между атомами углерода в решетке алмаза. В твердом растворе внедрения, который обра­зуется в железе при 1000°С, углерод практически нахо­дится в атомарном состоянии, испытывая лишь слабое химическое взаимодействие с металлом-растворителем. Поэтому растворенные в железе атомы углерода зна­чительно более активны, чем в алмазе. При темпера­туре «резания» (1000°С) алмаз не способен взаимодей­ствовать с водородом или углекислым газом, а раство­ренный в железе углерод хорошо с ними взаимодей­ствует. Реакция протекает на поверхности металла и сопровождается образованием газообразных продуктов: метана или окиси углерода.

Если на алмаз поместить тонкую железную пластин­ку и нагревать ее до указанной температуры в атмос­фере водорода, углерод начнет растворяться в железе и за счет диффузии двигаться в направлении поверх­ности пластинки. Достигнув ее, он «найдет» водород и, соединившись с ним, образует метан, который тут же покинет пластинку. Растворяя углерод алмаза своей нижней поверхностью и передавая его газу верхней, пластинка будет равномерно погружаться в алмаз. Ско­рость погружения, она же скорость резания, будет за­висеть от температуры, толщины пластинки, состава, давления и скорости протекания газа над пластинкой. А форма образующейся в алмазе полости с вертикаль­ными стенками будет полностью соответствовать вы­бранной форме погружаемого в него железа или сплава на его основе.

Термохимическим способом обработки алмаза в Якутском институте геологии «гравировали» на его кристаллах всевозможные рисунки, вырезали шестерен­ки, делали отверстия заданного диаметра. Были раз­работаны также термохимические методы шлифовки и обработки некоторых видов поликристаллических алмаз­ных пеков. Так система железо — алмаз нашла практи­ческое применение почти через полтораста лет после опытов П. П. Аносова.