Григорий Николаев - Металл Века

Применение нового конструкционного материала для клапанов, толкателей, механизмов газораспределения, шатунов, поршневых пальцев и других деталей двигателя позволяет уменьшить инерционные нагрузки на кривошипно-шатунный механизм, повысить предел усталости, снизить усилия на болты и гайки шатуна, увеличить число оборотов, а следовательно, и мощность двигателя. Увеличивается запас сил пружин, уменьшается на 30 процентов сила удара клапана о седло. Важными свойствами титановых сплавов, помимо высокой удельной прочности и стойкости против коррозии, являются сравнительно высокая жаропрочность, низкий коэффициент теплового расширения.

Применяемые в дизелестроении для шатунов высоколегированные стали далеко не полностью удовлетворяют требованиям эксплуатации: под влиянием растягивающих напряжений стали деформируются — текут. Титановые сплавы таких недостатков не имеют.

Титановый сплав ВТ5 (титан с небольшими добавками алюминия, железа и кремния) успешно использован на одном из отечественных дизелестроительных заводов для шатунов серийно выпускаемых мощных двигателей. Титановые шатуны показали высокую надежность, отличную коррозионную стойкость в среде паров масла и продуктов сгорания топлива, обеспечив длительную безотказную работу двигателей.

Обычно применяемые глушители автомобильных двигателей изготовляются из мягкой углеродистой стали и быстро выходят из строя вследствие прогаров и внешней коррозии. Использование титана позволяет избежать этого.

Японская фирма ”Кобе стил” разрабатывает титановые сплавы для автомобилестроения. Один из сплавов предназначен для изготовления впускных и выпускных клапанов и будет выдерживать нагрев до 800—900 °С. Этот новый титановый сплав в два с половиной раза легче стали, которую он заменит. Другой сплав, разработанный фирмой, станут применять для толкателей клапанов, клапанных тарелок, поперечных клиньев и шатунов. Оба сплава уже используются в гоночных автомобилях марок Е380 и Е382, выпущенных японской фирмой "Ниссан Мотор”, которая планирует применить эти сплавы также в спортивных машинах.

Объединенными усилиями трех японских автомобильных фирм из титанового сплава создан сверхлегкий двигатель, который в два с половиной раза легче обычного автомобильного мотора. Сплав более чем на 80 процентов состоит из титана, остальное — олово, алюминий, цирконий и совсем небольшое количество хрома и стали. Стоимость нового двигателя весьма велика и на первых порах его будут ставить только на дорогие машины.

В других странах титан применяется пока в основном в конструкциях гоночных автомобилей. Крупнейший производитель титана в США фирма ТМКА сконструировала гоночный автомобиль Т1-22. Автомобиль оправдывает свое название: он изготовлен почти целиком из титана, что и дает хорошие результаты. Титановые сплавы используют и во многих других американских гоночных машинах.

В автомобиле ”Инди-500” из титана сделаны клапанные приводы и выхлопная система. Успешно прошел испытания экспериментальный газотурбинный автомобиль. ”Огненная птица”, корпус которого полностью изготовлен из титана. Титан применен и в гоночном автомобиле ”Орел” компании AAR, завоевавшем Большой приз по итогам 24-часовой гонки в Бельгии.

Одна из канадских фирм использует титановые сплавы для изготовления шатунов двигателей гоночных машин, благодаря чему число оборотов мотора достигло 8600 в минуту, а мощность увеличилась на 8,8 киловатт. Титановый сплав, разработанный фирмой ”Кобе стил”, о котором сообщалось выше, используют в США и Англии для изготовления нагнетательных и выхлопных клапанов автомобильных двигателей.

Применение титана в автомобилестроении, конечно же, не ограничится гоночными машинами. Особо ответственные детали серийных автомобилей и двигателей также необходимо изготовлять из материалов, обладающих наилучшим комплексом свойств, что существенно повышает надежность и долговечность изделий и той техники, в которой они применяются.

На восстановление действующего парка машин ежегодно расходуются десятки миллионов рублей. Затраты на ремонт и межремонтное обслуживание — осмотры, проверки — иногда достигают в год четверти стоимости машины, а трудоемкость капитального ремонта грузового автомобиля в три, а нередко и в четыре раза превышает трудоемкость его изготовления. Показателем масштабов ремонтных работ может служить огромное количество запасных частей, которые выпускаются сотнями заводов и которых тем не менее не хватает.

Если же автомобильные детали изготовлять из сплавов титана, они будут надежными и долговечными. Это позволит значительно сократить ремонты, увеличить срок службы, благодаря чему можно сэкономить многие миллионы рублей. Наиболее целесообразно использовать титановые сплавы для деталей двигателей, несущей конструкции и ходовой части, причем самыми подходящими сплавами для деталей двигателя являются высокопрочные и жаропрочные титановые композиции, для несущих конструкций ~ сплавы средней прочности, а для ходовой части автомобилей — высокопрочные сплавы.

Замена стали титаном при производстве рам, осей грузовиков и автоприцепов позволит увеличить полезную грузоподъемность и срок службы, уменьшить износ покрышек, расход горючего, сократить затраты на ремонт и простои, что в конечном итоге не. только окупит стоимость титановых сплавов, но и даст существенную экономию средств. Снижение массы грузового транспорта всего на один килограмм увеличивает полезную нагрузку на сумму в несколько рублей.

Титан дает возможность уменьшить массу железнодорожных вагонов и тем самым снизить расход энергии, необходимой для их передвижения. Благодаря снижению общей массы подвижного состава становится возможным уменьшить габариты вагонных шеек и букс. Одна из зарубежных фирм — производителей железнодорожных вагонов — предполагает, что уменьшение массы вагона на 450 килограммов даст экономию в 2000 долларов. Другая фирма уже использует титановые сплавы в турбине поезда, развивающего скорость 260 километров в час.

В самые последние годы у титана обнаружилось свойство, о котором прежде никто даже не догадывался: сплав этого металла с никелем (в соотношении 1 :1) обладает редкой и удивительной способностью "запоминать” форму. Изделие из такого сплава можно изогнуть, скрутить. Пройдет много времени, но стоит нагреть сплав до определенной температуры, как изделие ”вспомнит” свой первоначальный вид и распрямится (или изогнется, если его перед этим выпрямили).

Такие сплавы у нас в стране называются ”ТН”, за рубежом — ”нитинол”. В обоих названиях использованы первые буквы или слоги металлов, из которых изготовлены сплавы: соответственно титан и никель, никель и титан.

Первой областью применения свойства ”памяти” титана стали космические исследования: компактно упакованную антенну, занимающую совсем мало места, помещают в искусственный спутник Земли или межпланетный корабль, а в открытом космосе нагревают до нужной температуры и антенна растягивается на многие десятки метров. Нагревают ее, разумеется, не в печи, а пропуская через металл электрический ток.

Но немало работы найдется этим сплавам и на земле.

На большой глубине в нефтяной скважине проржавела труба и вместе с нефтью наверх стали поступать соленые грунтовые воды. Авария! Надо быстро принять меры. Быстро! . . Легко сказать. Чуть ли не месяц уходит на ремонт одной обсадной колонны: трубы надо поднять с глубины, доставить к месту ремонта, устранить неисправность, затем отвезти на место и, снова смонтировав, опустить на нужную глубину.

Сотрудниками института ТатНИПИнефть (г. Бугульма) разработана технология дистанционного латания поврежденных труб на нефтяных и газовых промыслах. Трубы остаются на местах, в внутрь скважины опускают "пластырь” из никелида титана. Спиральный электронагреватель разогревает вставленную в нужное место оболочку и та, "вспомнив” свою первоначальную форму, расширяется и плотно закрывает отверстие. Просто? Да! Экономично? Еще как! Стоимость ремонтных работ сокращается в 5 раз.

Но это не единственная область применения новых сплавов на земле. Благодаря им можно создать заклепки, которые не нужно расплющивать. Достаточно только вставить их в отверстие и нагреть — заклепки расплющатся сами. Такие заклепки крайне необходимы при сборке узлов конструкций в труднодоступных местах. И не следует думать, будто никелид титана можно использовать всего лишь несколько раз. Изделие из этого сплава при нагреве и охлаждении может безотказно сгибаться и разгибаться десятки, сотни тысяч раз. Стало быть, брусок сплава можно длительное время использовать как рычаг или клапан, где тепловая энергия непосредственно будет превращаться в механическую работу. Этот материал нужен чувствительным термомеханическим датчикам, противоударным устройствам, химическому оборудованию. Короче говоря, перед новыми сплавами большое поле деятельности!