Баббит: металл, который придумал ювелир

Есть в технике слова, которые звучат как имена собственные, но давно превратились в нарицательные. «Баббит» — одно из таких слов. Любой инженер-механик скажет вам, что это антифрикционный сплав на оловянной или свинцовой основе, применяемый для заливки подшипников скольжения. Большинство при этом даже не задумается, что за этим словом стоит конкретный человек — ювелир из Тонтона, штат Массачусетс, который однажды пришёл работать на металлургический завод, потому что его ювелирный бизнес прогорел.

Звали его Исаак Бэббит (Isaac Babbitt, 1799–1862). И он, строго говоря, изобрёл не сплав.

Ювелир на литейном дворе

Исаак Бэббит родился 26 июля 1799 года в Тонтоне — небольшом городке в Массачусетсе, известном в ту эпоху производством гвоздей и серебряных изделий. Тонтон называли «Серебряным городом» — там была традиция ювелирного и серебряного дела, и Бэббит в неё вписался органично: с юности он был учеником ювелира, а потом самостоятельным мастером.

Ювелир — это прежде всего человек, который знает металлы изнутри. Какой сплав плавится при какой температуре, как ведёт себя олово с сурьмой, почему медь меняет цвет при нагреве. Это не теория — это руки, это глаза, это годы опыта с тиглем и горелкой. Именно этот опыт окажется решающим позже, когда Бэббит окажется совсем в другом месте и совсем с другой задачей.

В 1824 году он сделал первое большое дело: изготовил первую в Соединённых Штатах посуду из британии (britannia metal) — оловянного сплава с сурьмой и медью, похожего на олово, но более твёрдого и красивого. В Европе эта посуда уже давно пользовалась спросом, в Америке её приходилось импортировать. Бэббит вместе с партнёром Уильямом Кроссманом построил в Тонтоне фабрику и начал продавать чайники и миски под маркой Babbitt, Crossman & Company.

Дела поначалу шли. Потом — перестали. Американский рынок оказался ненасытен на импортную посуду и туговат на местную. В 1834 году компания сдалась — производство продали. Бэббит перебрался в Бостон.

Первая латунная пушка и одно второстепенное изобретение

В Бостоне Бэббит устроился суперинтендантом на South Boston Iron Company — литейный завод Сайруса Элджера, одно из ведущих промышленных предприятий тогдашней Новой Англии. Должность солидная: он руководил производством, следил за технологическими процессами, решал инженерные задачи.

Там он отлил первую латунную пушку в истории Соединённых Штатов. Это уже само по себе неплохое достижение — но в историю Бэббит вошёл другим.

В 1839 году он получил патент США № 1252 на устройство, которое в документе называлось «усовершенствованный способ изготовления ящиков для осей и цапф». Это был подшипниковый узел для паровых машин: стальная или чугунная обойма, внутренняя поверхность которой выкладывалась мягким сплавом. Ось вращалась внутри, сплав обеспечивал скольжение.

Тут важна тонкость, которую часто упускают. Бэббит запатентовал конструкцию подшипника — принцип нанесения мягкого металла на внутреннюю поверхность твёрдой обоймы. Конкретный состав сплава он в патенте не фиксировал, прямо оговаривая: «Я не намерен ограничивать себя этой конкретной композицией». В самом патенте упоминался рецепт — пятьдесят частей олова, пять частей сурьмы, одна часть меди, — но как пример, не как формула.

История распорядилась иначе: именно сплав, а не конструкция, получил его имя. Баббит — это металл, а не подшипник.

 

Почему ювелир справился с этой задачей

Объяснение простое, и оно возвращает нас к мастерской в Тонтоне.

Проблема паровых машин середины 19-го века заключалась вот в чём. Вращающаяся ось создаёт трение — трение разрушает и ось, и поверхность, по которой она вращается. Если ось и обойма одинаково твёрдые — они одинаково и изнашиваются. Но если поверхность скольжения сделать из мягкого металла, происходит вот что: мягкий металл истирается быстрее, но при этом он «обнимает» ось, подстраиваясь под её форму, и — главное — оставляет в своей поверхности крошечные канавки, по которым течёт смазка. Твёрдые частицы сурьмы и меди в мягкой оловянной матрице поддерживают нагрузку, а само олово создаёт смазывающий эффект. При перегрузке мягкий сплав жертвует собой — деформируется или расплавляется, — но сохраняет ось.

Понять это умозрительно мог инженер. Реализовать на практике — подобрать точные пропорции, найти нужную температуру заливки, разобраться с адгезией мягкого металла к твёрдой обойме — мог только тот, кто провёл годы, экспериментируя со сплавами руками. Бэббит был именно таким человеком. Ювелир, который знал, как ведёт себя олово. Как его смешивать с сурьмой. Какая температура нужна, чтобы сплав лёг правильно.

В 1841 году Массачусетская механическая ассоциация наградила его золотой медалью. А затем случилось нечто совсем неожиданное: Конгресс США выделил Бэббиту двадцать тысяч долларов — персональный грант за изобретение, принёсшее стране очевидную пользу. Прецедент редкий даже по тем временам. В 1844 году он запатентовал металл в Англии, в 1847-м — в России.

 

Что такое баббит и как его делают

Итак, что же это такое — баббит?

В широком смысле баббитами называют семейство антифрикционных сплавов на оловянной или свинцовой основе. Все они содержат твёрдые включения в мягкой матрице — принцип, открытый Бэббитом. Стандарт ASTM B23 описывает несколько марок; классический «оловянный баббит» содержит около 83–89% олова, 7–8% сурьмы и 3–4% меди.

Технология заливки подшипника выглядит так: стальную или бронзовую обойму обезжиривают, флюсуют (покрывают специальным составом для улучшения сцепления), лудят тонким слоем олова. Потом расплавленный баббит — температура плавления оловянных марок около 240–370°C — заливают в форму вокруг оправки, имитирующей ось. После остывания оправку извлекают, подшипник растачивают до нужного размера.

При работе в подшипнике происходит именно то, что задумывал Бэббит: твёрдые кристаллы сурьмы и интерметаллические соединения меди выступают над поверхностью мягкой оловянной матрицы, принимая на себя нагрузку, а в углублениях между ними держится масло. Ось вращается почти без металлического контакта — на масляном клине. Когда подшипник изнашивается, его не выбрасывают, а «перебаббитируют» — выплавляют старый металл и заливают новый. Это существенный экономический аргумент в пользу баббита по сей день.

Дантист с тиглем

Тут самое время сделать небольшое отступление — в Олбани, штат Нью-Йорк, где в те же самые годы практиковал зубной врач Барнабас Вуд (Barnabas Wood, 1819–1875).

Дантисты середины XIX века тоже занимались металлами — пломбирование зубов требовало понимания сплавов ничуть не меньше, чем производство подшипников. Вуд, сочетавший практику стоматолога с серьёзным интересом к химии, задался вопросом: а нельзя ли сделать сплав с такой низкой температурой плавления, чтобы его можно было вводить прямо в зубную полость в жидком виде, а он затвердевал уже там?

В 1860 году он запатентовал такой сплав — смесь висмута (50%), свинца (26,7%), олова (13,3%) и кадмия (10%). Эвтектический состав, то есть такой, при котором смесь плавится при температуре ниже, чем любой из её компонентов в отдельности. Температура плавления этой смеси — около 70 градусов Цельсия. Чуть горячее, чем крепкий чай.

Идея для пломбирования зубов не прижилась — сплав содержит кадмий и свинец, что с точки зрения медицины несколько проблематично, — но само изобретение оказалось блестящим. Сплав Вуда (Wood's metal), используется сегодня в пожарных спринклерах: легкоплавкий замок удерживает клапан закрытым, а при пожаре плавится и открывает воду. Применяется он и при гибке тонкостенных труб — трубу заполняют сплавом Вуда, гнут без деформации стенок, потом выплавляют заполнитель горячей водой.

История повторяется: ювелир-Бэббит открыл металл, думая про подшипники, — металл нашёл тысячи других применений. Дантист-Вуд открыл металл, думая про пломбы, — металл нашёл тысячи других применений. Практик, знающий материал руками, оказывается продуктивнее теоретика, строящего конструкции умозрительно.

 

Где баббит применяется сегодня

Прошло почти два века. Подшипники качения — шариковые и роликовые — давно вытеснили баббитовые во множестве применений. Но не во всех.

Баббит остаётся незаменимым там, где нагрузки очень велики, скорости относительно невысоки и критически важна надёжность при длительной непрерывной работе. Турбины электростанций — огромные роторы весом в десятки тонн опираются именно на баббитовые подшипники: шариковый подшипник такой нагрузки не выдержит. Его попросту раздавит. Морские двигатели — те же соображения. Крупные компрессоры, прокатные станы, бумагоделательные машины. Там, где подшипник нельзя быстро заменить, зато можно перелить — баббит выигрывает.

Добавились новые применения. Высокопроизводительные электромоторы. Экспериментальные разработки для электромобилей и рельсового транспорта. Производители баббита с удовольствием об этом рассказывают — хотя и признают, что «современные шарикоподшипники доминируют во многих применениях».

Главный аргумент баббита — ремонтопригодность. Изношенный баббитовый подшипник перезаливают: выплавляют старый металл, наносят новый, растачивают. Это дешевле замены корпуса, это возможно в полевых условиях, это понятная технология. На каком-нибудь энергоблоке где-нибудь в Сибири или в машинном отделении старого парохода это может оказаться решающим аргументом.

 

Конец истории

Исаак Бэббит умер 26 мая 1862 года в Сомервилле, Массачусетс. В документах о смерти его профессия значится как «производитель» — он к тому времени успел ещё и мылом поторговать, сколотив на этом некоторое состояние. Место смерти в некоторых источниках обозначено как Маклинская психиатрическая лечебница — что добавляет к биографии штрих, достойный отдельного разговора.

Его сплав пережил изобретателя на сто шестьдесят лет и пока не собирается на пенсию. А имя Бэббита стало нарицательным в большинстве технических языков мира, в том числе и в русском, где «баббит» пишется со строчной буквы и склоняется как обычное существительное. Марки Б83, Б88, Б16 — это стандарты советской и российской промышленности, наследники той самой оловянно-сурьмяно-медной смеси, которую придумал ювелир из Тонтона, у которого прогорел бизнес на посуде.

Бонус для настоящих читателей.

И последнее — маленький бонус для тех, кто дочитал до конца.

Помните британию — оловянный сплав с сурьмой и медью, который Бэббит первым изготовил в Америке в 1824 году и на котором прогорел? Так вот: с 1982 по 2016 год именно из британии делали основу статуэтки «Оскар». Снаружи — слои меди, никелевого серебра и двадцатичетырёхкаратного золота. Внутри сплав британия. Сорок лет каждый голливудский лауреат сжимал в руке металл, который ювелир из Тонтона первым отлил на американской земле — и так и не разбогател на этом. В 2016 году академия захотела вернуться к исходной бронзе, но производитель не располагал нужным оборудованием, и контракт ушёл в другое место. Британия из Оскара исчезла — тихо, без церемонии.