Проблемы повышения качества структуры заготовительной базы машиностроения

На основе системного анализа структуры заготовительной базы машиностроения рассматриваются проблемы увеличения доли изделий, изготовляемых штамповкой и литьем из легких сплавов. Обращается внимание на необходимость внедрения новых технологических процессов штамповки деталей из вторичных алюминиевых сплавов методами изотермической штамповки, штамповки кристаллизующегося металла и методом "Thixoforming".

On the base of system analysis of engineering industry's blanking base structure, there are considered the problems of increasing share of articles produced by stamping and casting of light alloys. Necessity of introduction into industry of novel technological processes such as stamping parts of secondary aluminum alloys in isothermal regime, during crystallization and by "thixoforming" method is noticed.

Системный анализ заготовительной базы машиностроения свидетельствует как о преобладании затратных технологий, так и о существенном отставании в использовании перспективных материалов в конструкциях машин и механизмов.

Достаточно отметить, что еще на взлете отечественного машиностроения (1986-1990 гг.) в конструкциях машин черные металлы составляли 95% (в США - 85%).

До "перестройки" в машиностроении основными видами исходных заготовок были: чугунные отливки (25%), сортовой прокат (25%), листовой прокат (26%), стальные отливки (8%), трубные заготовки (8%).

Доля чугунных заготовок и деталей в отечественном машиностроении в несколько раз превышает этот показатель в США. Затратные технологии получения заготовок превалируют над ресурсосберегаюшими, малоотходными технологиями.

Приведем пример. В последнюю "доперестроечную" пятилетку Елецкий завод "Гидропривод" ежегодно выпускал до 600 тысяч насосов, корпуса которых (массой до 10 кг) изготовляли из чугуна методом кокильного литья. И только лишь после того, как местная санэпидстанция из-за возросшего уровня заболевания токарей силикозом почти добилась закрытия механообрабатывающего цеха, Минстанкопром принял меры по замене чугуна на алюминиевые сплавы.

Рассматривались два варианта получения заготовок - литье из алюминия под низким давлением и точная объемная штамповка двух деталей корпуса насоса из вторичных алюминиевых сплавов.

МГТУ "Станкин" совместно с НИИ "Гипроцветметобработка" была разработана и испытана малоотходная технология горячей объемной штамповки (ГОШ) поковок корпуса насоса из вторичного алюминиевого сплава типа АКЗМЖ2Мг (аналог АК5М2). Заготовки в виде прутков диаметром 110 мм были изготовлены на опытной установке методом полунепрерывного литья круглых слитков с использованием электромагнитных кристаллизаторов. Благодаря мелкозернистой структуре (средний размер зерна сплава в осевой части - приблизительно 40 мкм), механические характеристики поковок, полученных из этих заготовок методом ГОШ с использованием схемы неравномерного всестороннего сжатия, незначительно уступали механическим характеристикам поковок из сплава АК4. Однако "перестройка" затормозила процесс внедрения этой технологии на 15-20 лет.

В настоящее время при разумном подходе к использованию алюминия имеются большие возможности в улучшении структуры заготовительной базы машиностроения.

Последние достижения в области внедрения штамповки кристаллизующегося алюминия (ВНИИметмаш, ГАЗ, Станкин и др.) позволяют надеяться, что доля алюминия, используемого для получения высокоточных деталей в машиностроении и приборостроении, будет непрерывно увеличиваться. Перспективным является внедрение технологии "Thixoforming". Этот технологический процесс основан на использовании круглых слитков, имеющих мелкозернистую структуру благодаря быстрому охлаждению жидкого металла (сплав АК7 и др.) в электромагнитном кристаллизаторе, под последующую штамповку поковок из штучных заготовок, нагретых до Т к 590°С. Штамповка осуществляется на гидропрессах в штампах с разъемными матрицами для поковок сложной формы.

Следует отметить, что в "доперестроечный" период применение машиностроительными предприятиями (кроме оборонной промышленности) алюминиевых сплавов для производства деталей машин и механизмов было ограничено. Развивалось только литье из вторичных алюминиевых сплавов (АК7, АК5М2 и др.). Сегодня ситуация в корне изменилась. Машиностроители получили практически неограниченный доступ к использованию алюминиевых сплавов. Алюминиевая подотрасль отечественной металлургии - единственная, которая, несмотря на издержки "перестройки", увеличила выпуск своей продукции по сравнению с 1990 г.

В России выплавляется около 3 млн. т алюминия. По этому показателю в пересчете на душу населения мы почти не отстаем от США. Однако только около 20% этой продукции остается в России, остальное идет на экспорт (рис. 1), причем в большинстве своем не в виде проката и прессованных профилей, а в виде сырья [1].

Рис. 1. Структура потребления алюминия в России (а), в странах Европы (б) и в Японии (в):

1 - экспорт; 2 - строительство; 3 - транспорт; 4 - потребительские товары; 5 - электротехника; 6 - машины и оборудование; 7- тара и упаковка; 8 - прочие

При разумной политике государства цены на алюминий, идущий на производство хотя бы сельскохозяйственных машин, должны быть снижены в 2-3 раза, а не находиться на уровне мировых цен (автомобилисты, например, заправляются бензином по ценам, которые в 3 раза ниже мировых, и никто не разорился!).

Для решения этой проблемы в энергоалюминиевых холдингах необходимо иметь цеха по производству заготовок методами литья и штамповки.

Рассмотрим еще один пример. Разрекламированный в свое время комбайн "ДОН-1500" принес чернозему больше вреда, чем пользы. Свою лепту в это внес, в частности, Госстандарт СССР, исключив один из основных показателей технической характеристики - давление на почву. В конструкции комбайна "ДОН-1500" преобладают детали из чугуна и стали, его полная (вместе с зерном в бункере) масса составляет около 20 т. На колесном ходу он давит на почву значительно сильнее танка. В результате чернозем утрамбовывается так, что он медленно впитывает влагу от дождя и смывается в овраги. Необходимо отметить, что уменьшение массы движущейся по земле машины на 1 кг дает экономию 1 кг горючего в год.

Рис. 2. Рост потребления алюминия в автомобилестроении Японии:

/ - всего; 2 - отливки и точные литые заготовки; 3 - прокат и профили (поковки - менее 20*103 т/год).

Приведенный пример свидетельствует о необходимости разработки государственной целевой программы использования легких сплавов в машиностроении.

На рис. 2 представлен график роста потребления алюминия в автомобилестроении Японии [2]. Не трудно подсчитать, что наши автомобилестроители и здесь значительно отстают.

Потребление алюминиевых сплавов на душу населения в США достигло примерно 30 кг (большая доля алюминия поступает в США по импорту), а в России этот показатель равен 4 кг (рис. 1), т. е. даже в 2 с лишним раза меньше, чем у нас было до "перестройки". Такое семикратное отставание от США свидетельствует об инерции мышления наших машиностроителей, научных подразделений, а также предпринимателей. Говорят, что алюминий дорогой: 60 руб. за 1 кг. Сегодня на производство 1 кг алюминия на всей технологической цепочке (бокситы - глинозем - алюминий) затрачивается 16... 18 кВт o ч электроэнергии. В то же время, в Красноярске и Саянах, где работают алюминиевые комбинаты, себестоимость электроэнергии на ГЭС составляет 8 коп за 1 кВт o ч. Себестоимость электроэнергии на АЭС не намного выше.

В рамках одной статьи трудно перечислить все за и против алюминия. Однако надо помнить, что в земной коре содержится 8% алюминия, 5% железа, 2% магния, 0,01% меди. Известно также, что в трущейся паре "алюминиевая деталь с микродуговым оксидированным покрытием - закаленная стальная деталь" первая изнашивается значительно меньше, при этом ее коррозионная стойкость не меняется. Имеются также данные (исследования Токийского университета), что в сплавах Al94V4Fe2 и A94Ti5Fe2 с аморфной и нанокристаллической структурой достигнуто наилучшее сочетание показателей прочности (ав = 1200...1300 МПа) и пластичности (5 > 2%) [1].

Залогом существенного изменения качества структуры заготовительной базы машиностроения является объявленная руководством компании "Русский алюминий" новая инвестиционная политика, направленная на значительное увеличение поставок полуфабрикатов из алюминиевых сплавов для отечественной промышленности.

ОАО "Русский алюминий" основано в марте 2000 г. в результате объединения крупнейших алюминиевых заводов Российской Федерации и нескольких отраслевых предприятий стран СНГ [3]. В состав компании вошли крупнейший в мире Братский алюминиевый завод (мощностью 900 тыс. т/год), а также Красноярский (850 тыс. т/год) и Саянский (400 тыс. т/год) алюминиевые заводы. ОАО "Русский алюминий" производит 2,1 млн. т первичного алюминия, т. е. 70% всего производства.

Производством глинозема и сопутствующих продуктов в структуре компании заняты Николаевский глиноземный завод на Украине и Ачинский глиноземный комбинат. Их суммарная годовая мощность составляет около 1900 тыс. т. Остальной глинозем (около 50%) - это импорт.

Из перерабатывающих предприятий в структуре компании наиболее крупным является Самарский металлургический завод (мощность переработки - более 800 тыс. т/год), 75% продукции которого (прессованные профили, листовой прокат, штампованные заготовки) поставляются на экспорт. ОАО "Белокалитвенское металлургическое производственное объединение" производит около 200 тыс. т/год алюминиевых полуфабрикатов большой номенклатуры.

Кроме того, в ОАО входят: завод "Саянская фольга" (47 тыс. т/год), Дмитровский опытный завод алюминиевой консервной ленты (14,5 тыс. т/год), совместное предприятие "Арменал" (Армения) (50 тыс. т/год) и завод "Ростар", выпускающий 1,5 млрд. в год алюминиевых банок для различных напитков и крышек для них.

Однако только 15% экспортных поставок ОАО "Русский алюминий" - полуфабрикаты, а остальное - чушки.

Имеющееся в отечественном машиностроении мощное кузнечно-прессовое оборудование, предназначенное для штамповки и прессования алюминиевых сплавов, загружено пока только на 22%.

Очевидно, флагманом внедрения алюминия в автомобилестроении будет "ГАЗ", который станет полигоном для "Русского алюминия" применительно к машиностроению. Кузов "Газели" и многие другие детали могут быть изготовлены из алюминиевых сплавов.

Еще одним представителем легких сплавов является магний, который в 1,5 раза легче алюминия. Не вдаваясь в тонкости штамповки деталей из магния, можно лишь отметить, что лаборатория ВНИИметмаша успешно освоила прессование трубок из магния для западных велосипедов. Диски колес автомобилей также начали штамповать из магниевых сплавов.

И немного о штамповке деталей из титановых сплавов.

Основной поставщик титановых сплавов - Верхне-Салдинский металлургический комбинат - в настоящее время загружен примерно на 1/3 своей прежней мощности. А ведь до "перестройки" он производил около 60 тыс. т титана в год, т. е. больше, чем все остальные предприятия в мире. Сегодня только 1/4 часть выпускаемой комбинатом продукции остается в России, остальное поставляется на экспорт (в частности, для фирмы "Боинг").

Конечно, возрождающаяся аэрокосмическая отрасль (о чем свидетельствует прошедшая выставка МАКС-2001) будет, как и прежде, основным потребителем титана. Но и машиностроители теперь могут использовать этот металл там, где это экономически целесообразно.

Таким образом, в настоящее время одним из путей совершенствования заготовительной базы машиностроения является увеличение доли производства поковок и литых заготовок из легких сплавов.

Второй путь - уменьшение доли черных металлов в машиностроении за счет увеличения использования пластмасс и полимеров - требует отдельного рассмотрения.

Выводы

1. Необходима государственная целевая программа НИР и внедренческих работ, направленная на совершенствование заготовительной базы машиностроения за счет увеличения использования легких сплавов в конструкциях механизмов и машин.

2. Необходимо интенсифицировать НИР, проводимые в НИИ и лабораториях кафедр вузов, в области отработки новых технологических процессов изотермической штамповки, штамповки кристаллизующегося металла и технологии типа "Thixoforming".

Список литературы

1. Аношкин Н. Ф., Бондарев Б. И., Быбочкин А. М. и др. Фундаментальные проблемы российской металлургии на пороге XXI века. М., 1998. Т. 2. 486 с.

2. Давыдов В. Г., Бер Л. Б. Международная конференция "Алюминиевые сплавы. Их физические и механические свойства" (ICAA-6) // Технология легких сплавов. 1999. № 4.

3. "Русский алюминий" - ответ на вызов времени // Aluminium today - международный журнал по производству и обработке алюминия. 2000. Ноябрь. С. 25-28.