Как вышло, что мы умели строить алюминиевые корпуса для ракет-носителей, но не могли делать простые банки для пива? Можно ли на даче переплавить пивные банки в слиток? В чём секрет популярности титановых лопат и можно ли сделать лопату из материала будущего – алюминиево-литиевого сплава, применяемого в авиастроении? Куда вытягивать алюминий – вдоль или поперёк? Кому хуже – нам без Запада или Западу без нас? Об этом и многом другом главному редактору «Аргументов недели» Андрею УГЛАНОВУ рассказывает доктор технических наук, профессор, академик РАН научный руководитель Самарского федерального исследовательского центра РАН Фёдор ГРЕЧНИКОВ.
Банка
– Фёдор Васильевич! Вы специалист по обработке металлов давлением. Неподготовленному читателю непросто понять, что это вообще такое. Приведу пример. В СССР отлично умели делать гигантские цилиндры-обечайки из металла. Например, корпуса для ракет. А вот алюминиевые пивные банки не умели. Только во время Олимпиады в Москве в 1980 году они появились в наших магазинах. Но и они делались из покупного алюминия. Только когда изготовить пищевой алюминий для нашей промышленности поручили Самарскому металлургическому заводу (СМЗ), с которым вы много сотрудничали, банка была изготовлена. Аж в 2003 году! В чём была проблема? У нас что, не могли прокатывать алюминий?
– Алюминий – это «крылатый» металл, из которого изготовлялись и изготавливаются корпуса самолётов, ракет-носителей, спутников и много изделий общего машиностроения. Все подобные детали изготавливались из достаточно толстого (от 2 до 12 мм) листового алюминия и его сплавов. С развитием технологий прокатки расширялся и ассортимент производства алюминиевых листов и лент. Особенно высокотехнологичным производством на Западе считалась прокатка баночной ленты под напитки толщиной до 0, 1 мм.
Надо отметить, что когда речь шла о производстве корпусов ракет-носителей, то металл должен был отвечать требованиям, в первую очередь прочности и некоторой пластичности, чтобы превратить лист в обечайку корпуса. Материал, конечно, должен быть свариваемый. Несмотря на всю важность и даже в некотором роде романтичность ракеты, процесс изготовления алюминиевого корпуса технологически был освоен прекрасно! Банки для пива и других напитков тоже цилиндрические по форме и как бы напоминают корпус ракеты. Но это совсем другая технология. И её у нас в стране действительно до 2000‑х годов просто не было.
– Почему? Оказалось, это сложнее ракеты?
– Потому что алюминий, который прокатывался на нашем металлургическом заводе, просто пытались прокатать до толщины, пригодной для изготовления банок под напитки. Но такая лента оказалась непригодной. В Подмосковье была открыта компания, которая изготавливала банки из алюминия. До известного времени – из металла, приобретённого за рубежом, чаще всего в Канаде. Но канадский прокат стоил дорого, а свой продукт есть свой продукт... Это очевидно! Из нашей тонкой ленты, прокатанной по традиционной технологии, поставляемой на этот завод, банки не получались. В процессе вытяжки ленты происходило стопроцентное разрушение.
Существующая на тот момент технология прокатки не позволяла создать ленту требуемого качества. Полученная лента не хотела «течь» в отверстие матрицы и превращаться в цилиндрическую банку.
Задача с ходу на СМЗ не решалась. Кафедра обработки металлов давлением (ОМД) СГАУ им. С.П. Королёва всегда сотрудничала с СМЗ, проводя постоянно НИР в цехах этого завода. Естественно, руководство завода поставило эту задачу нам. К тому времени на нашей кафедре ОМД уже проводились глубокие фундаментальные НИР по пластическому деформированию анизотропных материалов, к которым относятся в том числе и алюминиевые сплавы.
– Что это значит?
– Анизотропия – это кристаллографическая ориентация структуры внутри металла. Лента это, пруток или поковка – везде есть кристаллографическая организация структуры. В зависимости от того, как располагаются атомы в кристаллической решётке, так материал и деформируется. Такой анализ мы провели и получили данные, что кристаллография алюминия формируется в процессе прокатки фольги так, что при штамповке, в частности при вытяжке, металл чрезмерно утончается и донышко отрывается, не успев сформироваться в банку. Требовалось переориентировать кристаллографию структуры ленты таким образом, чтобы фланец легко сужался и затекал в отверстие матрицы. Тогда не возникает чрезмерное напряжение в зоне передачи усилия, и металл свободно течёт в матрицу, формируя банку.
Таким образом, мы вместе с прокатчиками завода разработали отечественную технологию прокатки и термообработки, которая формировала в ленте такую кристаллографию структуры, где плотность упаковки атомов по толщине ленты была больше, чем по ширине. В этом случае донышко формируемой банки не отрывается, а тянет за собой весь фланец, который и формирует стенки банки.
В прежней технологии листы из алюминиевых сплавов толщиной вплоть до 1 мм считались одинаково толстыми и отжигались всегда в интервале температур 350–400 градусов Цельсия. В итоге в кристаллографии структуры получался хаос. При толстых листах одно, при тонких – другое. Никто этого просто не сопоставлял, потому что не было такой задачи, так как прокат отвечал существующим на тот период требованиям. Следовательно, как нами было установлено, в зависимости от степени деформации и от толщины листа требуется разная температура отжига.
– А какая толщина листа металла для пивной банки?
– В среднем одна десятая миллиметра. И это не лист, а лента. Не надо её отжигать при 400 градусах. Мы нашли необходимый для формирования рациональной кристаллографии структуры диапазон температур отжига – от 290 до 310 градусов. При такой температуре кристаллография структуры формируется таким образом, что лента по толщине становится более прочной и фланец заготовки легко деформируется, превращаясь в стенку банки.
– У меня как-то скопилось штук двадцать пивных банок. Я их сплющил и хотел их переплавить на костре. Ничего у меня не вышло. Банки попросту выгорали. Почему?
– Потому что сама лента очень тонкая плюс покрыта лаком. Такая же история в начальный период была на заводе, пока банки не начали компактировать в крупные блоки на прессах. Только тогда они плавятся, а не выгорают. Это называется «вторичный переплав». Но на банки его вновь уже не пустишь, «вторичный переплав» идёт на всяческий ширпотреб. Это другая технология.
Лопата из...
– Я помню, как во времена перестройки из стратегически важного титана делали лопаты. Сегодня алюминиево-литиевый сплав в быту используется?
– Это весьма дорогое удовольствие, потому что технология слишком сложная. Поэтому он идёт в более серьёзное производство. Я не могу точно сказать, потому что не занимаюсь производством, но вряд ли кто-то сможет себе позволить лопату из такого материала. Что же касается титана, то если в алюминии гранецентрированная кубическая кристаллическая решётка, которую мы знаем и умеем из неё изготовлять нужную кристаллографию структуры, то у титана гексагональная плотноупакованная решётка, она очень трудно поддаётся деформированию, но придаёт титану значительно большую прочность, чем у алюминия. С титаном гораздо сложнее работать при деформировании.
– Все металлы имеют кристаллическую структуру. Их прочность зависит от расположения атомов в различных плоскостях?
– Прочность бывает разная. Если растягивать анизотропный образец в одном направлении, например вдоль проката, – это одна прочность. Если этот же образец растягивать поперёк прокатки, то тут уже другие прочностные характеристики. А если испытывать лист под углом 45 градусов к направлению прокатки – это уже третьи характеристики и свойства. Изотропный материал можно растягивать в любом направлении, и свойства везде будут одинаковыми.
При анизотропии меняется ещё и способность материала к деформированию! При вытяжке анизотропного материала есть свои особенности. Нам бы хотелось вытянуть из него стакан с ровными краями, чтобы из него было удобно пить. А ничего не выйдет, его края будут волнистыми. Материал течёт в разных направлениях по-разному. Поэтому, чтобы получить стакан с ровными краями, придётся от готового изделия срезать до 30% материала, чтобы выровнять края.
– Мы с вами находимся в Самаре, где создан настоящий авиационный кластер. В МАИ мы имели дело с так называемыми «материалами с заданными свойствами». То есть материалами с памятью. Подразумевалось, что шарик такого материала попадает в заданные условия, например в лунный холод и одновременно солнечное воздействие, и сам раскрывается, став, например, домом.
– У нас есть кафедра авиационного материаловедения, где этим немного занимались. Но немного. Пока такие материалы из области фантастики.
– Нас читают родители подростков, которым уже пора выбирать путь в жизни. Они знают, что технические специалисты сейчас в стране да и в мире гораздо более востребованы, чем юристы и маркетологи. Ваше мнение и рассказ о вашей работе, вероятно, сподвигнут кого-то из них пойти в науку и пополнить ряды так необходимых нам учёных. Они как раз и будут заниматься материалами будущего, в том числе умными композитами.
– Умные композиты – это дело будущего. Вопрос в том, чтобы в зависимости от воздействия температуры среды менялась структура, перестраивалась кристаллическая решётка самого материала, размеры зерна, и всё это воздействовало бы на внешнюю форму изделия. Из мячика дом, конечно, при этом не получится. Но для управления ракетами или самолётами это пригодится. Например, почувствовал себя пилот плохо или отвлёкся, металл это почувствовал и без вмешательства пилота дал обратную команду на рулевое управление и сам выровнял самолёт.
Нам без Запада?
– Ваша отрасль и непосредственно ваш институт много контактировали с американцами, европейцами. После известных событий эти контакты были прерваны с их стороны. Что делать? Броситься в объятия к китайцам? Но ведь перед Советским Союзом тоже опустили железный занавес. А советская наука при этом прекрасно себя чувствовала. Нет ли ощущения, что санкции со стороны Запада и в этот раз могут оказать нам благо и нацелить власти на науку, а науку направить по пути великих свершений, как это было в прошлом веке?
– Излишняя ориентация на Запад помимо некоторых положительных моментов принесла нам и всякого рода потери. В частности, тезис реформаторов «Нам проще купить, чем самим делать!» привёл к утрате многих жизненно важных технологий и компетенций. Вот и получилось, что мы тут многое потеряли, а продавали нам далеко не новейшие технологии.
Я не раз был на переговорах в США. Там высоко ценили нашу науку. Технологии и оборудование у них были намного лучше. Но вот в науке управления структурой и свойствами материалов мы достигали результатов быстрее, обладая лучшими теоретическими знаниями, а они добивались результатов преимущественно экспериментальным путём, имея соответствующие экспериментальные установки. В общем, особой катастрофы в разрыве связей я не вижу. Введённые ими санкции не позволят им продавать, а нам покупать. Это, естественно, снизит их рынки продаж. На какой-то момент у нас будет проседание в оборудовании и технологиях, но, взявшись за дело, как прежде, Россия сумеет всё это заменить собственными разработками.
А насчёт крена в сторону Китая… Я с китайцами тоже работал и представляю их методы. Они многое берут числом во всех смыслах: изучают опыт чужих стран и применяют его с поправкой на свои особенности. И они очень продвинулись. Но, учитывая специфику Востока, многого у них не почерпнёшь. Они берут, но отдавать не спешат. А если и отдадут, то в наших условиях это может быть просто неприменимо. Так что я вижу другую перспективу. Западники помучаются-помучаются и снова вернутся к сотрудничеству с нами. Им без России хуже, чем нам без них. Они так привыкли питаться отсюда абсолютно всем – от ресурсов до мозгов, что без сотрудничества с Россией у них появятся собственные проблемы.
Но теперь нам надо быть умнее и более тщательно выбирать, кого пускать к нам обратно, а кому и ручкой помахать на прощание.