У истоков триботехники
Прошло 30 лет, как ушел из жизни Иван БОГАЧЕВ – доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, профессор Уральского политехнического института, ныне УГТУ-УПИ, который внес большой вклад в решение двух важнейших научно-хозяйственных задач, стоявших перед страной в различные периоды ее истории.
Индустриализация страны в 30-х годах ХХ века потребовала для нужд железнодорожного транспорта увеличения производства вагонных колес. Введенный в эксплуатацию в Днепропетровске прокатный стан для изготовления стальных колес был малопроизводителен и проблемы не решал. Тогда, руководствуясь опытом США, на Уралвагонзаводе построили цех по производству колес из отбеленного чугуна по технологии фирмы Гриффина. Фирма поставила оборудование, техдокументацию и специалистов для налаживания производства, но результат оказался удручающим. Из 17 тысяч колес, отлитых в 1934 году, годных оказалось лишь 100 штук, то есть менее одного процента.
Для исправления положения Наркомат тяжелой промышленности командировал на УВЗ специалистов из различных заводов и научных учреждений Москвы, Ленинграда, Харькова и других городов, всего более десяти человек. Каждый получил возможность внести свое усовершенствование. Но брак сохранялся большим и в 1935 году составил 69% при общем производстве колес 114 тыс. штук. Исчерпав свои возможности, специалисты, в том числе американские, разъехались, на заводе осталась лишь группа молодых инженеров из УПИ, среди которых был Иван Богачев.
Было выявлено несколько причин, препятствующих получению качественных колес. Одна из них состояла в том, что уральские руды, в отличие от американских, были полиметаллическими, то есть содержали значительное количество примесей меди и других металлов. Кроме того, отливаемые колеса по диаметру были больше (900 мм), чем американские (838 мм), что создавало дополнительные термические напряжения и усиливало трещинообразование.
Для ускорения исследований прямо в цехе создали металлургическую лабораторию. Непосредственно в производственном цикле проверялось большое число технических решений, и требуемый результат не заставил себя ждать. Было установлено, что склонность твердого отбеленного слоя к образованию трещин резко снижается, если в его структуре присутствует ~2% мягкого феррита. Твердость гребня колеса при этом несколько уменьшается с НВ440 до НВ340, из-за чего такие колеса получили название "полутвердых".
Пониженная твердость не могла не зародить сомнения в их работоспособности, но они были развеяны ходовыми испытаниями. На вагонный состав установили 176 пар опытных колес, среди которых для сравнения были "твердые" колеса Гриффина, привезенные из Америки. Эксплуатация длилась 10 месяцев. Результат оказался в пользу "полутвердых" колес. Все они сохранились и подлежали дальнейшей эксплуатации, тогда как половина американских колес лопнула. Кроме того, новые исследования показали, что мягкие включения графита не снижают износостойкость, а повышают ее за счет смазочного эффекта. Таким образом, производство вагонных колес на Уралвагонзаводе было освоено, а вместе с тем решена важная государственная задача.
После этого Иван Богачев возвращается в институт. Здесь он по результатам заводских исследований защищает в 1938 году кандидатскую диссертацию, в 1940-м издает монографию "Металлографические основы получения качественного чугуна", а в 1947 году по фазовым превращениям в чугуне защищает докторскую диссертацию.
Во время Великой Отечественной войны Уралвагонзавод был перепрофилирован на выпуск военной продукции, но по ее окончании производство колес Гриффина возобновилось. Опыт их эксплуатации свидетельствовал о высоком качестве. Всего было выпущено 1,7 млн колес, и ни одно не вышло из строя по причине трещин в ступичной или дисковой частях. Правительство СССР высоко оценило проделанную работу, и группа сотрудников Уралва-гонзавода и УПИ, в том числе Иван Богачев, в 1950 году за "коренное усовершенствование производства чугунных вагонных колес" была удостоена Сталинской премии.
Впоследствии советским опытом производства "полутвердых" колес воспользовались американцы. При разработке технологии термического упрочнения (сорбитизации) стальных колес для грузоподъемных кранов, перемещающихся по рельсовым путям, они установили значение требуемой твердости именно то, которое было на уральских колесах Гриффина – НВ340.
Послевоенное время поставило перед страной новую задачу. Разрушенная войной страна напрягала силы, чтобы добиться паритета в новом виде вооружений – ядерном. Без энергетики это было невозможно, а отставание от США составляло десятки раз. Ставку сделали на гидростанции как источник дешевой электроэнергии. Были понесены большие расходы по возведению гигантских плотин, проектированию и изготовлению сверхмощных турбин нового поколения, но результат не вселял надежды. Рабочие колеса гидротурбин под возросшим напором воды стали катастрофически быстро изнашиваться. В некоторых случаях их срок службы не превышал и месяца. В этих условиях эффективная эксплуатация электростанций становилась невозможной. Требовалось срочно найти способ защиты турбин от кавитационного изнашивания.
Иван Богачев.
В сложившейся остронапряженной ситуации профессор Богачев интуицией большого ученого для борьбы с кавитацией выбрал в то время практически не известный класс нестабильно-аустенитных сталей. В самом начале исследований пришла уверенность в успехе. Результаты лабораторных исследований были столь впечатляющие, что Решением Совмина СССР № 5887 от 28.04.1956 года в УПИ открылась ПЛМ – "Проблемная лаборатория металловедения".
Для УПИ это было знаменательное событие. Прежде институт из госбюджета получал средства лишь на подготовку студентов, теперь началось финансирование научных исследований. Таким образом, государство впервые признало за УПИ способность решать важные научные задачи. Впоследствии госбюджетного финансирования научной деятельности стали добиваться и другие ученые, но они шли по уже изведанной дороге.
Сотрудники ПЛМ, в основном молодые выпускники УПИ и других вузов, под руководством Ивана Богачева выявили оптимальный состав кавитационно-стойкой стали 30X10Г10 и установили природу ее высокой износостойкости. Производственные испытания засвидетельствовали решение проблемы защиты от кавитационного разрушения, что получило большой общественный резонанс. Самый популярный в стране иллюстрированный журнал "Огонек" предоставил свою обложку: "Не побоимся сказать, это научно-техническое открытие – одно из выдающихся и блистательных в нашем веке". Основоположник научной кинопублицистики Л.И. Романенко посвятил ему полнометражный фильм "Укрощенный враг".
Об эффективности новой стали показательный пример приводят сотрудники ЦНИИТМАШ. В 60-х годах ими был разработан и внедрен в производство способ облицовки рабочих колес гидротурбин сталью Богачева по методу сварки взрывом. В начале 90-х годов была предпринята экспедиция по гидростанциям России, Узбекистана, Канады. В ходе ее установили, что все облицованные рабочие колеса продолжают находиться в эксплуатации. Отсюда следует, что их срок службы с нескольких месяцев вырос до двух десятков лет – поистине замечательный результат.
ПЛМ дала импульс исследованиям на кафедре сварки по созданию наплавочных материалов на базе новых типов сталей и сплавов. Их возглавил доцент, впоследствии профессор М.И. Разиков. Сразу же был преодолен узкопрофессиональный подход к теме. Сначала составили один из первых в стране классификатор видов износа деталей в горно-металлургической промышленности. Для каждого из них разрабатывался износостойкий наплавочный материал. Впервые в качестве наплавочных материалов были представлены нестабильно-аустенитная (20Х9Г9Т) и мартенси-то-стареющая (0Х6Н8М7С) стали, жаропрочный сплав (Н60Х20В6) и другие. Успешное их применение стало основанием к открытию в УПИ совместным приказом Мин-цветмета СССР и Минвуза РСФСР от 16.12.1968 года "отраслевой лаборатории наплавки" (ОЛН).
Таким образом, в 60-х годах в УПИ сформировалась научная школа по повышению износостойкости машиностроительной продукции. При этом профессора Богачев и Разиков часто говорили о целесообразности специального изучения вопросов износостойкости в рамках обособленного предмета, который они называли "контактная прочность металлов".
В то же время подобное происходило на Западе. Но там от слов перешли к делу, выделив вопросы износостойкости в специальную дисциплину – "трибологию", которую начали преподавать на всех уровнях. Вероятно, это стало одним из факторов, что на Западе было создано новое поколение машин с резко возросшими сроками гарантийной эксплуатации, получивших в 70-80-х годах название "безремонтных". Подобного успеха наша промышленность достичь еще не смогла. Причина видится все той же. За прошедшее время лишь в некоторых вузах небольшим группам начали преподавать вопросы износостойкости, тогда как основная масса выпускающихся инженеров остается в них практически неосведомленной.
Среди вузов, что начали триботех-ническую подготовку, значится и УГТУ-УПИ, где трудятся продолжатели дела Богачева-Разикова. В Нижнетагильском филиале с 1989 года ведется преподавание курса "Износостойкость машин". Значимым результатом этого стало создание на Уралвагонзаводе в 2003 году первого в стране Бюро триботехники – специального подразделения по повышению износостойкости выпускаемой продукции, которое в 2008 году было преобразовано в отдел триботехники и нанотехнологий. Его деятельность позволила многократно повысить ресурс автосцепки и элементов вагонной тележки за счет применения наплавки и плазменной закалки. Дальнейшее расширение преподавания в вузах вопросов износостойкости машин и создания на предприятиях соответствующих подразделений должно стать одной из приоритетных задач, без решения которых не возможен рост конкурентоспособности нашего машиностроения.
Владимир Коротков, главный триботехник – научный консультант ОАО "НПК "Уралвагонзавод", д.т.н.
Литература: Газета "Машиностроитель" от 06.06.2014, №21.