Первая машина для свивки металлических канатов появилась в 1840 году в Банска-Штявице (Словакия). До 70-х годов XIX века проволочные канаты подвергали только конструкционным изменениям и продолжали изготовлять из мягкой железной проволоки с пределом прочности 500–700 МПа. Появились шестипрядные канаты крестовой свивки из многопроволочных прядей.
Литую сталь начали использовать для производства канатной проволоки в 1870–1871 годах. Повышение прочности канатов стало возможным благодаря улучшению качества проволоки. В энциклопедическом словаре "Гранат" (1913 год) упоминаются канаты, которые свивались из 300 тонких проволок и имели толщину до 40 миллиметров. А через 40 лет Большая Советская Энциклопедия сообщала о канате из 17 500 проволок диаметром 0,3 миллиметра каждая. Толщина таких канатов, используемых для подвесных мостов, достигает 1500 миллиметров, а прочность на разрыв 96 тысяч тонн.
Россия проволочные канаты почти полностью импортировала. Пионером в создании отечественной сталепроволочной и канатной промышленности является московский завод "Серп и молот". К 1940 году эта отрасль промышленности полностью удовлетворяла потребности страны.
У каната есть необычные профессии. Создан оригинальный механизм - канатная пила для добычи мрамора и гранита. С ее помощью значительно ускоряется добыча крупных блоков камня из горных массивов. Принцип действия пилы таков: приводная станция через систему блоков движет "бесконечной" длины стальной канат, который и врезается в камень. В качестве ускорителя используется абразивный порошок.
Стальные канаты, изготовленные из высокопрочной стали с временным сопротивлением на разрыв 1200–2100 МПа, а иногда и до 3500 МПа, применяют на подвесных канатных дорогах. К 1900 году в мире насчитывалось около тысячи грузовых канатных дорог, а в настоящее время их несколько тысяч. В дореволюционной России начиная с 70-х годов XIX века было построено более ста грузовых канатных дорог, а сейчас в СССР их работает более 500. Общая длина "висячих" дорог достигает тысячи километров, объем перевозок свыше 450 миллионов тонн грузов в год.
Первые пассажирские канатные дороги появились в 90-х годах XIX века, но возможности применения были ограничены из-за несовершенства тяговых устройств. В СССР первая такая дорога построена в 1941 году. Сейчас лишь в одной Грузии их функционирует 36. Канатная дорога выручает и шахтеров. Горняки Ткибули, Ткварчели опускаются более чем на 600 метров в удобных подвесных креслах.
Пионерами в области конструкций висячего типа оказались строители мостов. Использование стальных канатов позволило создать смелые технические сооружения.
Ванты - оттяжки из стального каната, которыми производят боковое крепление каких-либо конструкций. При сооружении вантового перехода (моста для труб газопровода) над Аму-Дарьей использовали предварительно напряженные вантовые элементы общей массой 250 тонн. Верхний пояс вантовых ферм состоит из 16 стальных несущих канатов и 4 дополнительных береговых канатов-оттяжек. Диаметр канатов 59 миллиметров, длина 675 метров, масса 10 тонн. Разрывное усилие каждого каната 2250 кН.
Своеобразная конструкция 430-метрового моста, подвешенного на одном пилоне - массивном устое прямоугольного сечения, появилась в Братиславе (ЧССР). Ширина моста 20 метров. Конструкция двухъярусного моста получилась очень изящной.
Одним из последних висячих мостов считают мост через Босфор в Стамбуле. Его шестиколейная проезжая часть шириной 33 метра подвешена на высоте 64 метра над уровнем моря на двух стальных канатах, протянутых между 165-метровыми пилонами. Висячая часть моста длиной 1074 метра собрана из трехметровых полых стальных ячеек, к которым приварены дорожки для пешеходов. Толщина покрытия проезжей части моста всего 12 миллиметров. Несущие канаты диаметром 60 сантиметров выдерживают нагрузку 280 МН и состоят из 19 отдельных тросов, каждый из которых содержит по 550 проволок диаметром 5 миллиметров. Общая длина проволок - 50 тысяч километров.
Струна
Вы слушаете оперу Верди "Травиата" или Первый концерт для фортепьяно с оркестром П.И. Чайковского и восхищаетесь чудесным звучанием музыкальных инструментов. В это время вы не задумываетесь ни над обилием различных инструментов, ни над их историей и устройством. Однако своими богатыми звуковыми возможностями современный симфонический оркестр в какой-то мере обязан металлургии. Вспомним о струнах - этой поющей разновидности стальной проволоки. Но не все струны изготовляют из стальной проволоки. Они могут быть медные, жильные и даже капроновые и нейлоновые. Есть струны сложные - стальная основа обвита мягкой металлической проволокой, так называемой канителью, для изготовления которой применяют красную медь, серебро, сплавы меди и никеля. Но все-таки главным образом в современных музыкальных инструментах применяют стальные струны.
Какую же проволоку используют для этих струн? Вероятно, музыкантов меньше всего интересует высокая механическая прочность такой проволоки - зачем она для хрупких и нежных инструментов? Возможно, их интересуют какие-то особые, музыкальные свойства проволоки - мягкость, звучность? Однако в ГОСТе на проволоку для струн поражает именно требования высокой механической прочности.
Оказывается, в таком инструменте, как фортепьяно, струны натянуты с таким усилием, что его чугунная рама испытывает нагрузку в 200 кН. Рабочее удельное напряжение струн пианино, рояля, а также первой струны мандолины и домбры доходит до 2000 МПа, то есть близко к пределу сопротивления на разрыв лучшей стали. Показатели на разрыв фортепьянной проволоки обычно составляют 2350–2600 МПа. Выходит, что для струн требуется проволока крепче, чем для канатов!
Конечно, высокая прочность не единственное требование, предъявляемое к струнной проволоке. В частности, очень строго определен допуск по овальности сечения, то есть разности величин двух взаимно перпендикулярных диаметров - не более 0,005 мм. Исключительное значение придается упругости металла. В ГОСТе указано, что при разматывании с мотка проволока не должна свертываться в кольцо диаметром менее 400 миллиметров. Число скручиваний двух сложенных проволок по длине, равной ста диаметрам, и при натяжении в размере 2% от разрывного усилия должно быть не менее 18.
Вот, какие строгие требования предъявляют к струнной проволоке, ибо струны смычковых инструментов пригодны в том случае, если они будут издавать звук нужной силы. Исследования свойств поющей стали продолжают металлурги, ученые, музыковеды.
"Кузница" звуков рояля обеспечивает свыше 200 струн, и каждая имеет свой "голос" в зависимости от диаметра, длины и силы натяжения. Долгое время полагали, что звучание проволоки зависит в основном от ее натяжения и упругости. Однако оказалось, что продолжительность звучания зависит от физических характеристик металла. Внутренняя его структура в конечном итоге определяет и все физико-механические свойства.
Удалось подробно изучить так называемую релаксацию - вытяжку струн. Для увеличения срока службы инструмента необходимо затормозить процесс релаксации, а главное - уравновесить этот процесс для всех струн. Значит, нужны особая технология и режимы термообработки металла. Исследователи воспользовались своим открытием. Теперь на заводе клавишных инструментов "Красный Октябрь" на пианино ставятся струны из новой фортепьянной проволоки.
Струны используют не только в музыкальных инструментах. Свойство струны при разных натяжениях издавать звуки разной тональности учли инженеры при создании измерительных приборов, например струнных гальванометров. Рояльную проволоку используют для растянутых элементов бипланов.
Струны предварительно напряженных панелей - изделие не из самых сложных. Но растущее строительство в стране поглощает такое количество этой проволоки точно определенной длины, с промежуточными и концевыми головками, что потребовалось создание специальных автоматических установок по производству строительных струн.
В Институте технологии машиностроения Вроцлавского политехнического института (ПНР) создали устройство, с помощью которого хрупкие материалы и сверхтвердые сплавы разрезаются на части струной из мягкой стали диаметром 0,3–0,6 миллиметра. Струна приводится в движение со скоростью 8 метров в секунду и захватывает масляную пленку со взвешенными в ней частицами карборунда. Процесс быстрый и потери ценных веществ минимальны - ни стружки, ни опилок почти нет.
Гвоздь
Сколько стоит гвоздь? Полтораста лет назад за горсть гвоздей в казахских степях можно было получить целого барана. Английский путешественник XVIII века Кук рассказывал, что туземцы полинезийских островов охотно давали ему за один гвоздь пару свиней. А сейчас за 10 копеек продавец отвешивает целую пригоршню гвоздей.
Родословная всем известного гвоздя начиналась с костей рыб и шипов колючих растений, которыми первобытные люди скрепляли части построек, орудия труда. Это подтверждает и сложная этимология слов.
Гвоздь - "заостренный стержень" - по корню праславянское слово. Первоначальное значение этого слова, вероятно, "лесистая возвышенность", "лес", "дерево", "кусок дерева", "деревянный острый кол", "гвоздь из дерева".
Недаром жители острова Таити, еще не знавшие ни одного металла, пробовали сажать в землю гвозди, привезенные Куком, в надежде, что они прорастут и дадут новый урожай.
В традиционном своем виде (заостренный металлический стержень со шляпкой) гвоздь появился в эпоху бронзовой культуры. В Египте, Греции, Риме делали литые и кованые медные, бронзовые и железные гвозди.
В Древней Руси кованые гвозди широко применялись в X–XIII веках, но производство их появилось раньше, ибо в этот период уже появлялись ремесленники-гвоздари.
Патент на первую машину для изготовления железных гвоздей получил в 1606 году англичанин Бульмер, но в практику она не вошла. Только в 1790 году Паркинс придумал действительно годную машину, которая в начале XIX века после усовершенствования получила большое распространение. На таких машинах получали более сотни гвоздей в минуту.
Современное производство оснащено автоматическими гвоздильными машинами для получения проволочных гвоздей. На них делают гвозди размером от 0,6 у 7 до 8 250 миллиметров. Машины выдают более одной тысячи штук в минуту.
В наши дни ассортимент гвоздей очень широк. По назначению они бывают строительные, кровельные, толевые, отделочные, обойные, декоративные, штукатурные, шиферные, подковные, корабельные, баржевые и длиной от 5 до 500 миллиметров. Основная масса гвоздей изготовляется из мягкой стали.
Модернизация гвоздя, этой простейшей крепежной детали, происходит в наши дни. В ГДР производят мебельные гвозди и шурупы из малоуглеродистой стали в тонкой полимерной оболочке - они не ржавеют и не портят дорогую древесину. Новые гвозди и шурупы обеспечивают более прочное соединение деталей. Например, сопротивление вывинчиванию у стальных шурупов с пластиковым покрытием почти на 80% выше, чем у обычных.
А можно ли делать гвозди из металлической стружки? Обычно стружку отправляют на переплавку. Однако английские инженеры нашли ей иное применение: после прессовки под давлением 600 МПа стружка превращается в плотную, почти не отличимую от сплошного металла массу, из которой получаются неплохие гвозди. Можно использовать и старые консервные банки - результат будет тот же.
Игла
Игла - инструмент для шитья, которым прокалывают материал и протягивают нить. Это орудие, необходимое для пошива одежды и обуви, было известно еще в древности. Уже тогда из рыбьих и других костей изготовляли иголки с ушком, просверленным осколком кремния. Затем появились бронзовые иголки и булавки. При раскопках в районе Магдаленсберга (Австрия) среди найденных железных изделий 2000-летней давности обнаружены иглы, лезвия ножниц.
По мере развития искусства обработки металла, в частности с появлением волочения проволоки, стали производить иголки и булавки. Утверждают, что первые стальные швейные иглы в Европу доставили арабы.
С конца XIV века стальные иглы стали изготовлять в Нюрнберге; до этого славились иголки испанские. В Англии производить стальные иглы стали только в XVII веке, хотя булавки там делали раньше, а в 1483 году ввоз булавок был даже запрещен.
В Россию купцы-ганзейцы привозили Иголки "любские" из города Любека. Но потом их стали делать сами русские. Так, в 1677 году по описи в Мещанской слободе Москвы было пять игольных мастеров. Но и задолго до этого на Руси иголку уже ковали из бронзы и железа, а в богатых домах пользовались дорогими серебряными иглами.
Долгое время иголки изготовлялись вручную. Ушко делать мастера сначала не умели, они попросту загибали кончик проволоки. В XIV веке французский мастеровой Ар шал придумал для нужд игольного дела волочильную доску. Это простое приспособление сразу изменило весь процесс изготовления игл, заколок, булавок.
Чертежи машины для производства игл создал еще Леонардо да Винчи, но делать их начали только в XIX веке в Англии. Появились ручные приспособления, станки.
Приблизительно 200 лет назад один ремесленник мог изготовить в день не более 20 обыкновенных иголок. Ему приходилось делать все самому - от заготовок до заточки острия иголки. После промышленной революции небольшая игольная мануфактура с 10 рабочими выпускала уже 8 тысяч иголок в день. Каждый работник выполнял одну какую-нибудь операцию: заготовлял проволоку, разрезал ее на куски. К тому же появились станки, приводимые в движение паровым двигателем. Сегодня автоматические станки выпускают сотни тысяч иголок в смену. Один современный станок-автомат с числовым программным управлением, изобретенный уже в годы НТР, дает возможность увеличить выпуск продукции еще в 4 раза.
Изготовление иголок является довольно сложным процессом. Специальную игольную проволоку металлурги готовят из качественной углеродистой инструментальной стали, выплавляемой в электропечи. Она должна быть светлой, гладкой диаметром 0,25–5 миллиметров. Проволоку отжигают в закрытых сосудах или в печах с нейтральной атмосферой, не допускающей окисления или обезуглероживания поверхности. Поставляется она потребителю в отожженном или нагартованном состоянии, без трещин, раковин, ржавчины и других дефектов.
Готовые иглы подвергают строгому испытанию - проверке на изгиб и твердость. При изгибе до 10 градусов швейная машинная игла не должна приобретать достаточную деформацию. Только при изгибе от 18 до 30 градусов хорошая игла ломается. Ручная швейная игла должна ломаться только при изгибе на 30–40 градусов. Многие иглы никелируют.
Таким образом, материал для иголок должен быть высококачественным, и здесь требуется немалый труд металлургов. О сложности изготовления иголок говорит тот факт, что массовое производство их организовано только в семи странах мира. Вот почему они ценятся очень высоко на мировом рынке.
Каких только видов иголок не изготовляют: швейные, штопальные, вышивальные, шорные, скорняжные, мешочные, парусные… Колюбякинский игольный завод выпускает, например, 25 видов швейных игл ежегодно до одного миллиарда штук. Артинский механический завод на Урале производит не менее 260 миллионов машинных игл в год. Игольно-платиновый завод им. КИМ дает потребителям около 300 типоразмеров ткацких иголок в миллионных тиражах.
Самые маленькие в мире иголки для шитья изготовляют в ГДР. Их делают из нержавеющей стали под лупой. Диаметр иголки 0,18 миллиметра, а длина 9–10 миллиметров.
Для хирургов производят 18 различных типов иголок. Одни имеют длину от 6 до 140 миллиметров и диаметр от 0,20 до 2,20 миллиметра. Самые маленькие в мире хирургические иголки, которыми можно зашивать разрезы роговиц на глазу, изготовляют в Ихтерсхаузене (ГДР). Полукруглую иглу длиной около 6 миллиметров и диаметром 0,2 миллиметра можно использовать для 20 операций. Необходимо немалое искусство, чтобы вдеть в эту иглу нитку из синтетического материала толщиной 0,03 миллиметра.
Письмо на железе
"Бирмингемский журнал" в Англии получил из американского города Питтсбурга следующее письмо, написанное на листе металлической бумаги:
"В номере вашего журнала, вышедшем 1 октября 1864 г., я прочел, что Джон Браун, из Шеффилда приготовил железный лист толщиной в 13,5 дюйма. Я полагаю, что это самый толстый лист, когда-либо проплющенный. В противоположность ему, я вам посылаю этот железный лист, изготовленный на заводе Слиго, в Питсбурге. Я думаю, что он представляет самый тонкий образчик в целом свете, и вызываю всю Англию произвести железо более тягучее. Если я не ошибаюсь, это будет первое, переплывшее Атлантический океан письмо, написанное на железе. Джон К. Эванс".
До этого времени самый тонкий железный лист в Европе был получен на бельгийском заводе: толщина его 0,07 дюйма. Американский же лист с письмом был не толще 0,001 дюйма, то есть около 0,025 миллиметра.
Английские заводчики приняли вызов автора письма и сделали вскоре еще более тонкие листы из железа: чтобы получить пачку листов высотой в один дюйм (2,54 сантиметра), надо было положить 2 тысячи таких листов друг на друга. Эти листы были в два раза тоньше американского.
Пробовали получать и стальные тонкие листы. Так, заводчик Гиллот из Бирмингема получил три стальных пластинки, средняя толщина которых соответствовала 0,18 дюйма.
Такие тонкие листы железа и стали нужны, конечно, не для написания писем: их сейчас используют в различных отраслях машиностроения, приборостроения и в радиотехнике.
Во второй половине XIX века главной продукцией прокатного производства были рельсы. Но в начале XX века железнодорожное строительство резко сократилось. Возникли другие области использования проката, и тогда появилась большая потребность в листовом металле. Особенно большое влияние на это оказала автомобильная промышленность - крупнейший потребитель стального листа.
Листовой прокат является одним из экономичных видов металлопродукции, особенно холоднокатаной. Из него изготовляют весьма легкие и самые разнообразные штампованные и сварные конструкции, применение которых вместо литья уменьшает их массу на 30–50%. Сварные трубы и многие другие профили, изготавливаемые из листового проката, как правило, более тонкостенные по сравнению с горячекатаными, и поэтому их использование взамен последних снижает расход металла на 10–15%. Доля листового проката в общем объеме его производства постепенно повышается и в некоторых странах она составляет 50%, что объясняется быстрым развитием капитального строительства, автомобильной и консервной промышленности.
Примером значительных достижений советских листопрокатчиков может служить история организации отечественного производства высококачественной кинескопной стали. Была получена новая марка стали с высокими магнитными и механическими свойствами и однородной структурой, разработаны методы исследования и контроля ее качества - и все это нужно для создания цветного телевизора.