Жаркое сердце в груди

В кадре кинохроники бесформенная груда металла - все, что осталось от самолета, потерпевшего аварию. И лишь в сигнальной лампочке на конце искореженного крыла осталась целой дрожащая вольфрамовая спиралька.

Удивительным это может показаться лишь тому, кто не побывал на предприятии электротехнической промышленности, куда с металлургического завода поставляют намотанную в бухты вольфрамовую проволоку. Здесь она перенесет долгие мытарства и суровые испытания, прежде чем превратится в готовую спираль. Если ей предназначено судьбой попасть в электронагревательный прибор, спираль изогнут крутым зигзагом, либо свернут в хомут. Ее могут отформовать в одной плоскости и по авиационной терминологии назвать "монопланом" или в двух плоскостях - "бипланом". Бывает, что изготавливают опирали совершенно плоские - как пластины. Да мало ли какие еще...

От необработанной проволоки до готовой спирали - дистанция огромного размера. Поступающий на предприятие исходный материал прежде всего очищают от поверхностных загрязнений, а затем хорошенько смазывают аквадагом - специально приготовленной графитовой смазкой. Такую проволоку, точно натертую варом сапожную дратву, легче протащить через фильеру - маленькое сужающееся окошко в твердосплавном волочильном инструменте. Аквадаг не только облегчает скольжение проволоки, но и хорошо защищает разогретый вольфрам от окисления.

По окончании волочения аквадаг надо обязательно удалить, а то он воссоединится с вольфрамом в карбид и это неизбежно приведет к провисанию нити, а заодно к ее короблению.

Пропущенную через фильеру проволоку отжигают в атмосфере влажного водорода. Потом травят в растворах едких щелочей. Потом подвергают самой совершенной ультразвуковой очистке, которая лучше всякого наждака сдирает с поверхности проволоки въевшиеся инородные включения. На выходе очищенный металл промывают водой и сушат нагретым воздухом.

Следующая операция едва ли не самая важная - навивка проволоки на молибденовый сердечник - керн. Процесс этот отдаленно похож на процесс изготовления пружин, но в то же время значительно сложнее из-за прямых участков (так называемых тире), которые на любой спирали необходимо оставлять незакрученными.

Намотанные бобины опускают в глубокие ванны с химикатами и обезжиривают, а после этого отжигают, чтобы устранить в материале внутренние напряжения и разрыхлить его поверхность для облегчения дальнейшей очистки. Отожженную спираль прямо с керном разрезают на отдельные заготовки требуемой длины. Быстрее всего эту операцию выполняют автоматы, оборудованные фотоэлементами,- за один только час они успевают нарубить полторы тысячи полуфабрикатов.

Потом следует травление, в ходе которого вместе с окислами и остатками прилипшей к поверхности смазки растворяют и молибденовый керн.

И снова отжиг, на этот раз при весьма значительных температурах, достигающих 2400 градусов. В металле происходят необратимые структурные изменения. Кристаллы как бы измельчаются, стремясь плотнее прижаться друг к другу. Теперь металлу не страшны суровые условия предстоящей службы, связанные со скачками внешней температуры и чувствительными механическими воздействиями.

Вот почему вольфрамовая спираль может уцелеть даже в том случае, когда не выдерживает несравненно более прочный на вид фюзеляж самолета.

Технология производства вольфрамовой спирали завершается операцией формовки. На разогретой электротоком оправке ("утюжке") перегибаются "тире". Изогнутые спирали вставляют в молибденовые рамки - пластины с перфорированными канавками, количество и размер которых точно соответствуют заданной форме. И опять - электропечь. Здесь в процессе отжига снимают возникшие при последних механических операциях внутренние напряжения, и спираль обретает устойчивую форму.

Теперь она по-настоящему готова выполнить свое предназначение. То ли войти в конструкцию современной электронагревательной плиты, успешно вытесняющей менее экономичные и более опасные газовые плиты, то ли стать частью ответственного прибора, то ли выполнить другие, не менее важные функции.

Бытовая электроплитка и промышленная печь сопротивления, действительно, родственницы. Но не более близкие, чем, например, домашняя кошка и уссурийский тигр. На первый взгляд, вроде бы все дело только в масштабе.

Но приглядимся повнимательнее к этому родству.

Одно очень важное "не то" заключено в огромном различии развиваемых температур, другое - в материале, из которого изготавливаются спирали агрегатов. Для плитки идет нихром, раскаляющийся не более чем до 1200 градусов. Для печи - жаропрочный вольфрам, обеспечивающий в два с лишним раза более высокий нагрев. Зато нихром устойчив в окислительной среде и отлично служит на открытом воздухе. Вольфрам же, увы, пасует перед кислородом и постоянно нуждается в защитной атмосфере или вакууме.

Чаще всего в промышленной печи сопротивления вольфрамовую спираль навивают вокруг керамического муфеля. При этом надо зорко следить, чтобы металл и керамика не контактировали между собой. Иначе в процессе длительной эксплуатации печи между ними возникнет губительное для металла химическое взаимодействие. С другой стороны, при высокотемпературном нагреве, который может обеспечить вольфрамовая спираль, оплавятся и потекут даже самые стойкие огнеупоры.

Поэтому вольфрамовую спираль в печи сопротивления навивают свободно, чтобы керамической трубки она касалась только в отдельных точках. Но ведь и при этом контакты, пусть местные, пусть ограниченные, да остаются.

Как же выйти из положения? Может быть, вольфрамовую спираль надежнее всего сумеет защитить... вольфрамовая трубка? Да, сумеет. Тепло, излучаемое спиралью нагревателя, передается в этом случае сначала металлическому муфелю, а затем нагреваемому в печи металлу.

Серебристый кудесник убедительно превосходит нихром не только в жаропрочности, но и в допустимых удельных нагрузках по мощности электрического тока. Если проволока из нихрома сечением в один квадратный сантиметр (так называемая катанка) в состоянии выдержать, не оплавившись, не более пяти ватт, то точно такая же спираль из вольфрама - в двадцать раз больше! Нетрудно представить себе, сколько металла можно сэкономить при этом и насколько компактнее удастся сконструировать саму печь.

И, наконец, последний аргумент в пользу 74-го. Нихром даже при максимальном разогреве почти не изменяет своей электропроводности. Иными словами, что по холодной, что по раскаленной нихромовой спирали электрический ток движется беспрепятственно, транзитом, а значит, лишь в строго ограниченной мере переходит в тепловую энергию.

С вольфрамом все наоборот. По мере увеличения температуры стремительно возрастает и его электросопротивление. При 2000-градусном нагреве оно почти в десять раз больше, чем при комнатной температуре. Это обеспечивает исключительно высокий к. п. д. печи и, кроме того, независимость тепловых процессов от колебаний напряжения в сети. Но, с другой стороны, это обязывает предусматривать в схеме включения регулирующие трансформаторы или дроссели, ограничивающие силу тока в момент его включения.

Разительное отличие в свойствах металлов предопределило и конструктивное оформление нагревательных элементов. Если для нихрома спираль была и остается наиболее совершенным решением, то для вольфрама она целесообразна только в низкотемпературных печах - в таких, например, где осуществляется отпуск металлов и сплавов, предназначенный для выравнивания или снятия внутренних напряжений. Но с точки зрения экономики, использовать дорогостоящий вольфрам в тепловых процессах, не превышающих 2000-градусный предел,- все равно что палить из пушки по воробьям. Ведь существует еще один металл, незначительно уступающий вольфраму в жаропрочности, но зато гораздо более дешевый - молибден.

Вольфрамовые же элементы для высокотемпературных нагревов изготавливают чаще всего либо в виде пучка из сваренных тонкостенных трубок, либо из отдельных прутков. Интересно, что такую же форму придают этим элементам и в мощных лампах накаливания.

Мы уже говорили об особой роли сверхчистых металлов и сплавов. Довольно часто их получают в печах электросопротивления, оборудованных вольфрамовыми нагревателями. В рабочем пространстве печи непорочная чистота бдительно охраняется либо нейтральным газом, либо вакуумом. Малейшее загрязнение расплава, всего несколько посторонних атомов, занесенных извне,- и весь труд пойдет насмарку.

А как, спрашивается, уберечься от загрязнений, если с давних пор было заведено применять муфели исключительно из жаростойкого графита? Но ведь там, где графит, там и углерод - очень непоседливый элемент, особенно при повышенных температурах. Уж он-то не пропустит момента вступить в контакт с беззащитным расплавом.

Вот и пришлось ради безупречной стерильности изготавливать муфели тоже из вольфрама. В небольших лабораторных печах вопрос решается просто. Берут кусок тонкой жести, из которой сделаны вольфрамовые трубки-нагреватели, вырезают нужную заготовку и сворачивают на оправке новую трубку значительно большего диаметра. Соединительный шов укрепляют точечной сваркой.

Более крупные муфели готовить посложней. Тут используют уже металлокерамичеекую заготовку - так называемый штабик. На токарном станке из него вытачивают тонкостенную трубку. Затем ее подвергают интенсивной тепловой обработке, дабы предотвратить крайне нежелательную усадку в процессе предстоящей эксплуатации.

Наконец, существует третий способ. Он заключается в гидростатическом прессовании вольфрамового порошка, помещенного в резиновую форму с центральным керном. Благодаря равномерно распределяемому во всех направлениях давлению поршень выпрессовывает цилиндрический муфель с одинаковой толщиной стенок. После этого остается лишь провести непременную термообработку.

В особо ответственных случаях (получение сверхпрочных изделий) стараются избавиться даже от лучших сортов керамики. Вместо нее для теплоизоляции печей применяют... вольфрамовую вату. Помните, в самом начале нашего рассказа мы говорили о двухсотграммовой болванке, превращенной в тончайшую нить длиной в 80 километров? Так вот, если эту нить беспорядочно смять, получится металлическая вата. По жаростойкости такая же, как вольфрам, а по теплоизоляционным свойствам не намного уступающая вате минеральной. И это несмотря на то, что сам вольфрам, как и большинство металлов, обладает достаточно высокой теплопроводностью.

Роль главного теплоизолятора вольфрамовой ваты играет не материал, из которого она выполнена, а бесчисленные воздушные поры, затерявшиеся между хаотическим скоплением перепутанных нитей.

Не обошлось без вольфрама и при изготовлении тигля - этого жаркого сердца электропечи. Для изготовления тиглей применяют материалы, отличающиеся повышенной плотностью. Вольфрам таким свойством в должной мере не обладает. Известны случаи, когда необыкновенно жидкотекучий расплав начинал активно внедряться в микроскопические поры, густо усеивающие внутреннюю поверхность вольфрамового тигля, и в конце концов процеживался сквозь дно.

Результаты долгих поисков в конце концов завершились успехом. В одном из американских патентов приводится рецепт сплава, пригодного для изготовления тиглей. Его основным компонентом (84 процента) является-таки вольфрам. Остальных составляющих сплава - кобальта, меди, серебра и даже платины - примерно по 1 проценту, что совсем немало, если иметь в виду общую массу тигля. Широкое развитие электронной аппаратуры выдвинуло на повестку дня одно очень важное требование - обеспечение надежности работы.

Как известно, в обычной лампочке накаливания посредником между вольфрамовой спиралью в колбе и пружинящим контактом патрона (вводом в электрической цепи) является цоколь. Ну а в лампе, рассчитанной на колоссальную силу тока, когда только такой контакт разогревается чуть ли не до тысячи градусов? Или в лампе сверхвысокого давления, буквально распираемой изнутри несколькими десятками атмосфер инертного газа? Тут слабосильному цоколю делать нечего. Его должна заменить толстая вольфрамовая проволока. От окисления ее защищает специальная стеклянная рубашка, плотно прилегающая к телу металла.

Статистика показала, что спаи металла со стеклом являются наиболее уязвимыми узлами электронных ламп и приборов. Два чужеродных материала должны слиться здесь в единый нерасторжимый союз. Иначе микроскопически неразличимое отслоение в плоскости их контакта нарушит вакуум. Прорыв воздуха, пусть в ничтожно малых дозах, непременно обернется непоправимой бедой.

Как же добиться столь желанного единства стекла и вольфрама?

Чтобы обеспечить надежное прилипание или, по научной терминологии, адгезию столь разнородных материалов, каждый из партнеров должен пройти основательную подготовку. Вольфрамовую деталь тщательно обрабатывают, пока она не примет строгую геометрическую форму без малейших следов заусенцев. Ее обезжиривают и травят в химикатах. Подвергают длительному отжигу в водородной атмосфере или вакууме. И при всем при этом поверхность детали должна обязательно сохранить окисленную пленку. Да не какую-нибудь, а определенной толщины, потому что слишком тонкий слой окиси безвозвратно растворится в стекле, а слишком толстый отслоится.

Бывалые мастера ищут золотую середину, определяя качество спая на цвет. С увеличением толщины окисной пленки он изменяется от столь характерного для вольфрама серебристого до черного - это когда толщина явно выше предельно допустимой. Иногда, чтобы предотвратить переокисление поверхности ввода, металл хромируют или покрывают электролитической пленкой другого тугоплавкого элемента, хорошо прилипающего к стеклу. А в особо важных случаях металл и стекло спаивают в атмосфере защитного газа.