CC BY
74РАЗВИТИЕ ПРОИЗВОДСТВА МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ И АВИАЦИОННОЙ ПРОДУКЦИИ ИЗ НИХ В ДОРЕВОЛЮЦИОННОЙ РОССИИ И СССР ДО 1945 ГОДА. ИЗ ИСТОРИИ МЕТАЛЛУРГИИ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ.
Бондарев Андрей Борисович
кандидат технических наук, доцент член-корр. Академии Медико-Технических наук генеральный директор НиТиМет Компани Российская Федерация, город Москва
Аннотация. Магниевые сплавы в истории металлургии легких сплавов. Применение магниевых сплавов в самолетостроении. Развитие металлургии магниевых сплавов в России и СССР до 1945 года.
Annotation. Магниевые сплавы в истории металлургии легких сплавов. Применение магниевых сплавов в самолетостроении. Развитие металлургии магниевых сплавов в России и СССР до 1945 года.
Ключевые слова. Магниевые сплавы. История металлургии. Магниевые сплавы в авиации и самолетостроении.
Keywords. Magnesium alloy. History of metallurgy. Magnesium alloys in aviation and aircraft.
В дореволюционные период промышленное производство металлического магния в России отсутствовало. В 1916 году известен положительный опыт профессора П.П. Федотьева с группой учеников в Санкт-Петербургском(Петроградском) политехническом институте электролиза расплавленного карналлита, который был использован при создании опытного производства металлического магния в мастерских при Военно-химическом комитете (на дату написания исследования - Государственный институт прикладной химии). П. П. Федотьев организовал в мастерских опытное производство магния (0,5 кг магния в сутки)[1].
Во время февральской революции 1917 г. это производство было закрыто. Разрушительная гражданская война, необходимость первоочередного восстановления разрушенных и брошенных заводов и фабрик, жизненно важных для страны, отложили дальнейшие исследования и работы по созданию производства магния и изделий из него. Восстановление обороноспособности страны, необходимость создания современных образцов авиационной техники: новых самолетов и моторов к ним, - стали причиной энергичного возобновления производств из легких сплавов. В весной 1922 года была освоены, или, возможно, восстановлены технология литья и прокатки алюминиевого сплава, легированного медью и марганцем(кольчугалюминия). В 1923 году поднялся в воздух самолет АНТ-1, имеющий в своей конструкции легкий кольчугаюминий, а в 1924 - самолет АНТ-2, фезюляж которого и его силовой каркас были полностью алюминиевыми[2].
В 1925 году в Москве состоялась Первое всесоюзное совещание по цветным металлам, где было признано недопустимым зависимость СССР от поставок цветных металлов из-за границы, отмечена необходимость разработки отечественной сырьевой базы цветных металлов, производства металлов, сплавов и изделий из них, подготовки специалистов -металлургов[3].
Следующие два года после первого совещания не прошли бесследно. На следующем втором совещании по цветным металлам уже появились результаты работы отечественных металлургов в области исследования механических и технологических свойств гаммы известных магниевых сплавов, разработанных в Германии[4].
Необходимо отметить, что немецкие изобретатели-исследователи магниевых сплавов активно защищали свои оригинальные составы магниевых сплавов, патентуя их в развитых промышленных странах, в том числе и СССР, о чем свидетельствует, например, патент немецкой фирмы I.G. Farbenindustrie AG, зарегистрированный в СССР с первой приоритетной датой от 20 октября 1921 года в Германии и 28.12.1922 в СССР согласно Советско-германскому соглашению об охране промышленной собственности от 12 октября 1925 года[5]. Это обстоятельство позволило исключить возможную нездоровую конкуренцию между металлургами за авторство составов магниевых сплавов, подобно случившейся по отношению к сплаву типа дюралюмин.
2 августа 1929 г. Совет труда и Обороны принял постановление о сооружении, кроме первых двух алюминиевых комбинатов, магниевого завода производительностью 1000 тонн магния в год в районе строящейся тогда Днепровской ГЭС им. В. И. Ленина, что стало точкой отсчета начала создания промышленной металлургии магниевых сплавов.
В 1929 г. был спроектирован и построен в Ленинграде опытный алюминиево-магниевый завод, впоследствии ставший ленинградским(санкт-петербургским) филиалом Всесоюзного алюминиево-магниевого института (ВАМИ). Алюминиевый цех опытного завода был пущен 1 мая 1930 г., а магниевый 10 марта 1931. Активные работы над созданием промышленной технологии электролитического производства магния в СССР проводились в 1928-1935 гг. в г. Ленинграде в Государственном институте прикладной химии (ГИПХ) и более широко в ВАМИ и на его опытном заводе [6].
Проведенные инженерами-металлургами в 1925-1930 годах в ЦАГИ(Я.Е. Афанасьевым, А.С. Баллем), на заводе им. Авиахима(Г.(Ю.)Г. Музалевским, С.М. Вороновым, А.Ф. Беловым), в Научном
автомоторном институте(НАМИ)(М.М. Хрущевым) всесторонние исследования свойств импортных магниевых сплавов, немецких, американских и английских, создали предпосылки для авиаконструкторов использовать высокопрочные магниевые сплавы в конструкциях самолетов. Большинство исследователей видели широкие перспективы применения магниевых сплавов в конструкциях самолетов и двигателей для них[7,8].
Одновременно с исследованием свойств различных магниевых сплавов, применением их в конструкциях самолетов металлурги - технологи на заводе им. Авиахима, затем на Специализированном заводе легких сплавов и заводе «Красный выборжец» (филиале, позже, преобразованном в завод им. К.Е. Ворошилова) отрабатывали и совершенствовали технологии литья, прессования и прокатки магниевых сплавов. Из различных магниевых сплавов были произведены отливки, слитки, прутки, листы, трубы, проволока, поковки[9,10].
В 1930 году известный ученый практик и металлург Г.(Ю.)Г. Музалевский писал: «Главнейший недостаток сплавов электрон в прокатанном и прессованном виде, при сравнении с дуралюмином, это-пониженные механические свойства. Если даже отнести крепость(предел прочности -примета авторов) к удельному весу при одинаковом удлинении, то для листов дуралюмина повышенного сопротивления получим удельную крепость(предел прочности,кг/кв.мм - дополнение авторов): (44—47): 2,7 = 15,7—16,8, а для электрона (24—32): 1,8 = 15,4—17,6. Поэтому электрон, как конструкционный материал, для ответственных частей при сравнении с высокими сортами дуралюмина не имеет никаких преимуществ, но для неответственных деталей, изготовляемых из дуралюмина, алюминия и стали, электрон может найти большое применение при своей легкости, и будущее развитие магниевых сплавов может быть вполне обеспечено. Крупным недостатком электрона следует считать коррозию, которая проявляется в сильной степени под влиянием атмосферы воздуха, особенно влажного воздуха и воды. Если часто препятствием к распространению дуралюмина служит его слабая сопротивляемость коррозии, то тем более это должно относиться к электрону, и к применению его следует подходить с большой осторожностью. Не менее серьезным недостатком электрона является его незначительная вязкость и тяжелые условия обработки в процессе изготовления деталей. При .перегибах, давильных и штамповочных работах должны приниматься меры для подогрева металла и инструмента до температуры 300—350° С, что, конечно, всегда будет представлять затруднения и усложнения процесса. Наконец, самый процесс изготовления листов, труб, профилей из электрона отличается от производства алюминиевых сплавов как в отношении плавки, так прессовки и особенно прокатки его, при чем далеко не в пользу электрона.»[11].
Не смотря на возможные недостатки и трудности в создании деталей из магниевых и их эксплуатации в СССР, самолеты из магниевых сплавов были созданы в СССР и Германии практически одновременно. Немецкий самолет Albatros L81 "Electra"[12] компании Albatros Flugzeugwerke GmbH, Berlin-Johannisthal был сконструирован и построен с использованием магниевого сплава AZM. Элементы конструкции и сам самолет представлены на фото.
Самолет Albatros L81 "Electra"[12].
В СССР в ноябре 1931 года был объявлен конкурс на лучший проект легкомоторного самолета, который выиграл будущий конструктор космических кораблей С.П. Королев, предложивший самолет с широким использованием магниевых сплавов, названный «Электрон-1», за эту работу С.П. Королев был премирован денежной премией в размере 6000 рублей[13]. В своей рукописи о создании следующего самолета с применением магниевых сплавов «Лёгкий электронный самолёт „Высокий путь"» (1932 г.) он писал: «Количество сырья в СССР для производства „электрона" огромно; целый ряд заводов освоил выпуск этого сплава, и тем самым могут быть обеспечены постройка и ремонт „электронных" самолётов; опасность коррозии "электрона", его воспламеняемость и прочее следует считать сильно преувеличенными и не представляющими на сегодняшний день особой опасности для опытного самолётостроения, а в самом ближайшем будущем и для значительных серий [14].
Элементы конструкции самолета Albatros L81 "Electra": каркас крыла, топливный бак, кресло пилота, - из магниевого сплава AZM[12].
1933 г. в Москве были предприняты новые шаги для строительства самолета из магниевых сплавов. Заводы им. Авиахима и им. К. Е. Ворошилова, Московский авиационный институт, где группой студентов под руководством профессора С.О. Зоншайна разрабатывалась конструкция самолета[15], и на кооперативных началах приступили к проектированию и строительству магниевого самолета.
На заводе им. Авиахима по инициативе заместителя начальника Главного управления авиационной промышленности (ГУАП) А. М. Беленковича была создана группа специалистов и мастеров, приступившая к работам, в числе которых принимали участие три медника, один мастер и один техник. Новаторм пришлось столкнуться с трудностями при освоении нового материала. Один участников этих пионерских работ - И. И. Аврунин[16]. написал:«Отсутствие подходящего помещения, материала, инструмента, а главное - отсутствие опыта тормозило работу. В этой мастерской учились нагревать паяльными лампами листовой электрон (вначале по неопытности пережигали материал), загибать уголки и, наконец, начали изготовлять кницы, уголки и ободы нервюры крыла для статических испытании. Попутно с организацией мастерской в Московском авиационном институте конструкторская группа (в большинстве своем состоявшая из студентов) заканчивала разработку первого в истории авиации нашего Союза цельноэлектронного самолета. Активно помогал строительству самолета завод им. К. Е. Ворошилова. Он производил отливку металла, прокатывал ласты и прутки. В августе 1933 г. электронная мастерская была переведена в другое более удобное помещение при экспериментальном цехе. Первой удалось изготовить нервюру крыла для статических испытании, затем - шпангоут № 1 коковой части фюзеляжа и отсек лонжерона крыла. К этому времени медники освоили производство небольших деталей и узлов. Кроме того, начали изготовлять профили из листового материала, освоили обжим электронных труб. Крупным объектом, выпущенным электронной мастерской, был монокок, который при статических испытаниях показал вполне удовлетворительные результаты. В июле и августе 1934. г. были изготовлены центральная часть фюзеляжа и крыло для статических испытаний . В процессе производства деталей и частей будущего самолета из электрона специалистам приходилось преодолевать большие трудности....первые месяцы при обжиме труб брак доходил до 90 -140%, и только после введения приспособлений удалось разрешить и эту задачу. Между прочим, брак и его другим работам доходил до 70-80 %. По 3-4 раза переделывали детали, так как в местах изгиба образовывались трещины. Металлургия первое время также «помогала» производству брака. Бесконечное количество плен, пузырей, грязи,
завальцованных в материал, и шлаковые включения были настоящим бичом. Изрядно досталось металлургам, во нужно признаться, что в настоящее время они блестяще опровергли разговоры о невозможности получения доброкачественного отечественного электрона» .
К концу 1934 года цельно-магниевый самолет «Серго Орджоникидзе» был готов и на нем был осуществлен первый полет. Самолет имел несколько обозначений: «ЭМАИ-1», «ЭМАИ-1-34», «Э-1». Технологию изготовления самолета разработали С.М.Петров, С.М.Воронов, Л.С.Золотухин, Я.Е.Афанасьев и другие. В работе над самолетом принимали участие М.М.Пашинин, Л.П.Курбала, Н.М.Суматохина, Ф.П.Курочкин и другие студенты и сотрудники. Проектно-конструкторские работы проводились под руководством С.И.Зоншайна (заместитель А.Л.Гиммельфарб, начальник строительства Н.Ф.Чехонин). В дальнейшем основное руководство всеми работами осуществлял А.Л. Гиммельфарб[17].
Экспериментальный самолет ЭМАИ-1(вся обшивка самолета изготовлена из магниевого сплава «электрон»)[17].
В большинстве своем самолеты из магниевых сплавов оказались неустойчивыми к коррозии в длительной эксплуатации. Подробные исследования, проведенные в ЦАГИ, а затем ВИАМе под руководством проф. Кренига показали, что магниевые сплавы нуждаются в специальной защите от коррозии[18], где и были в последствии развернуты соответствующие работы. Но одновременно, всесторонние исследования магниевых сплавом показали, что наряду со многими ценными свойствами они обладают такими важными в техническом отношении качествами, как способность воспринимать динамические нагрузка. Эти свойства магниевых сплавов позволили с успехом применять их для изготовления деталей конструкций, подвергающихся вибрационным и ударным нагрузкам. Кроме того, большую выгоду давало применение магниевых сплавов в деталях, работающих на поперечный изгиб и продольную устойчивость. Удельная жесткость магниевых сплавов при изгибе и кручении на 20 % превосходит удельную жесткость алюминиевых сплавов и на 50% - сталей.
Активно работали отечественные исследователи в области теории и практики обработки давлением магниевых сплавов. С 1937 г. исследования по магниевым сплавам в Институте общей и неорганической химии АН СССР в лаборатории механических испытаний, руководимой С.И. Губкиным, были выполнены важные работы по изучению влияния различных факторов на пластичность магния и его известных сплавов для совершенствования технологии горячей обработки давлением магниевых сплавов на заводах авиационной промышленности. В работе «К вопросу о пластичности некоторых магниевых сплавов», С. И. Губкин совместно с Е. М. Савицким показали, что получить правильное представление о влиянии температуры и скорости на пластичность можно только при условии рассмотрения их совместного взаимодействия. Исследовался горячепрессованиый сплав МА-3 и его аналоги. Авторами было установлено, что «высокая пластичность магниевых сплавов в отдельных условиях позволяет поставить вопрос об увеличении допускаемых обжатый за один проход при прокатке против существующих и применении рулонной прокатки» [19]. В той же работе было установлено, что магниевые сплавы могут быть достаточно пластичными не только в предварительно обработанном, но и в литом состоянии. Эти выводы получены на основе экспериментов по осаживанию литых сплавов марок: МА-1 (1,2% Мп, остальное - М^ МА-2 (3,5% А1, 0,65% гп, 0,33 % Мп, остальное - Мg) , МА-3 (5,98% М, 0,7 % Zn, 0,32 % Мп, остальное — Мg) и МА-7 (3;7 % А1, 4,28% Zn, 0,3 % Mn, остальное - Мg.
В 1940 г. в лаборатории Института общей и неорганической химии АН СССР С. И Губкиным и Е. М. Савицким было выполнено фундаментальное исследование «Пластическая деформация магниевых сплавов». За работу "Новый способ прокатки магниевых сплавов», выполненную в 1941 г., С. И. Губкину и Е. М. Савицкому несколько позднее выдано авторское свидетельство[20]. Результаты работы позже также были опубликованы авторами в статье «Возможные пути интенсификации процесса прокатки
магниевых сплавов» (1947 г.) .Где авторами было показано, что: «1. Наилучшие результаты в отношении состояния поверхности и трещин по кромкам дают предварительно деформируемые образцы; при этом никакой роли не играет, были ли осажены образцы под молотом или под прессом. для сплава МА-1 также не играет роли отсутствие или наличие предварительной гомогенизации. После предварительно деформироваиинтх образцов лучшие результаты показали для МА-3 литые гомогенизированные образцы. для обоих сплавов на последнем месте стоят литые образцы. 2. При надлежащей ^ металла и валков, можно получить вполне доброкачественные полосы и ленты достаточной длины из сплава МА-1 и МА-3. В лабораторных условиях были получены ленты длиной свыше 5 м, что свидетельствует о возможности технического осуществления рулонной прокатки и целесообразности применения ее в качестве предварительной деформации перед прокатной открытого осаживания на прессе или молоте»[21].
Д..т.н. С.И. Губкин(1898-1955)[22] и член-корр АН СССР д.т.н. ЕМ. Савицкий(1912-1984)[23].
Кроме указанных работ, с участием С. И. Губкина выполнены и опубликованы труды «Пластичность и сопротивляемость деформации магниевых сплавов МА-2 и МА-3» (совместно с Е. М. Савицким) , «Влияние добавки алюминия к магнию на температурные кривые резильянса» (совместно с Н. И. Башиловой) и др. [24, 25].
Опыт, полученный при производстве и изготовлении деталей из магниевых сплавов не пропал, многих конструкциях новых самолетов были детали из магниевых сплавов: воздушные винты, баки, листы и детали мотора, как-то: картеры, крышки помп, масляные и бензиновые насосы, арматуры моторов, коробки скоростей, поршни и т.д.[26].
Дальнейшее активное развитие применения новых магниевых сплавов и разработки новых магниевых сплавов задержала Великая Отечественная война 1941-1945 гг. Но и в этих тяжелейших условиях СССР, несмотря на потерю Днепровского магниевого завода, сумел в исключительно тяжелых условиях развить свои мощности на основе Соли-Камского магниевого завода (создан в 1936 г.) и пущенного в годы войны Березниковского магиевого завода(впоследствии Березниковского титано-магниевого комбината). В 1943 г., не только была достигнута, но превзойдена мощность Советских заводов по производству магния. После завершения войны советским металлургам и строителям в короткий срой, отдалось восстановить Днепровский магниевый завод и увеличить производство магния на предприятиях Урала. Большой комплекс научно-исследовательских и проектных работ, связанных с совершенствованием и развитием технологии получения металлического магния выполнили коллективы Всесоюзного научно-следовательского и проектного института алюминиевой, магниевой и электродной промышленности(ВАМИ), а также специалисты промышленных предприятий цветной металлургия [27].
Список литературы.
1. Знаешь как. Способы получения магния. URL: httpsV/znaesh-kak.com/q/m/способы-получения-магния(дата обращения: 14.07.2019).
2. ВикипедиЯ. АНТ-2. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/АНТ-2(дата обращения: 14.07.2019).
3. С.С. Крыжановский Об организации промышленности цветных металлов в СССР - Труды первого всесоюзного совещания по цветным металлам. 30 марта-6 апреля 1925 г. Доклады.Прения. Резолюции. -Центральное Управление печати ВСНХ СССР, Москва, 1925, стр.741-748.
4. Б.П. Рольщиков Упехи м агниевой промышленности — Труды второго всесоюзного совещания по цветным металлам. Тезисы к докладам. - Москва-Ленинград, Акционерное общество «Промиздат», 1927, стр. 252.
5. Патент на изобретение СССР № 7965 А. Бейельштейн, В. Шмидт, Ф. Томас Магниевый сплав -опубликована 28.2.1929 г.
6. С.А. Савченков Реферат по дисциплине «История и философия науки» на тему: «История развития магниевой промышленности России» - МинОбрНауки, ГОУВПО, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,С-Пбрг., 2016, с. 4.
7. Я.Е. Афанасьев Электрон - ж. Техника воздушного флота, 1930, № 2, стр. 133-142).
8. А.С. Балль Выбор сплавов типа электрон для отливки самолетных деталей и арматуры - ж. Техника воздушного флота, 1932, № 11-12, стр. 1062-1068.
9. С.М. Воронов, А.Ф. Белов, М.Е. Левич Исследование по производству электрона- ж. Техника воздушного флота, 1931, № 7, стр. 437- 451).
10. В. Буталов Производство «электрон» металла — Новости техники(Ежедневный бюллетень Центрального института технико-экономической информации при ТЕХПРОПЕ НКТП, 1931, № 118, стр.1.
11. Г.(Ю.)Г. Музалевский О новейших достижениях в области легких прокатываемых сплавов — ж. Техника воздушного флота, 1930, № 9, стр. 609-623.
12. German aviation 1919-1945. Aircraft. Albatros L81 "Electra" - URL: http://www.histaviation.com/albatros_l_81.html - дата обращения 20.08.2019).
13. Г.С. Ветров С. П. Королев в авиации. Идеи. Проекты. Конструкции. — М.: Наука, 1988. - 160 с.,Серия «История науки и техники».
14. С.П. Королёв и его дело. Свет и тени в истории космонавтики» . - М.: Наука, 1998, 716 с.
15. Год работы - газета «Заводская правда», 1934,18 августа, стр. 1.
16. И.И. Аврунин Обработка электрона при постройке самолета «Серго Орджоникидзе» - М.. Л., ОНТИ НКТП СССР, 1935, 43 с.
17. Главная. Авиамузей. АВИАЦИЯ. АВИАСТРОЕНИЕ В СССР. Экспериментальные летательные аппараты. Экспериментальный самолет ЭМАИ-1. - URL: http://авиару.рф/aviamuseum/aviatsiya/sssr/eksperimentalnye-samolety/eksperimentalnyj-samolet-emai-1/-Дата обращения: 20.08.2019).
18. Крениг Владимир Оттович. Коррозия магниевых сплавов - Москва ; Ленинград : Цветметиздат, 1932 (Л. : тип. им. Евг. Соколовой). - 1 бр.; 23х15 см. - (Труды Центрального аэро-гидродинамического института/ НКТП СССР. Главное управление авиационной промышленности; Вып. 128.
19. С.И. Губкин, Е.М. Савицкий. К вопросу о пластичности некоторых магниевых сплавов. - ДАН СССР, 1940,т. 28,№ 2. стр. 127-130).
20. Авторское свидетельство СССР № 317305 С. И Губкин, Е. М. Савицкий «Способ прокатки в две стадии магниевых сплавов» , приоритет от 20.06.1941 г..
21. С. И Губкин, Е. М. Савицкий. Возможные пути интенсификации процесса прокатки магниевых сплавов- Изветия АН СССР. Отделение химических наук., 1941, № 6, стр.669-672.
22. История металлургии легких сплавов в СССР. 1917-1945. М.: Наука, 1983, с. 199.
23. visualrian.ru. Советский физико-химик и металловед Е.М.Савицкий. URL: http://visualrian.ru/media/351555.html(дата обращения: 10.12.2019).
24. С. И Губкин, Е. М. Савицкий Пластичность и сопротивляемость деформации магниевых сплавов МА-2 и МА-3 - ж. Техника воздушного флота, 1941, № 3, стр. 29,30),
25. С. И Губкин, Н. И. Башилова. Влияние добавки алюминия к магнию на температурные кривые резильянса. - ж. Цветная металлургия,1941, № 6/7, стр.17-19.
26. А.П. Розанов, А.В. Шепелявский Цветные металлы в самолето- и авиастроении: Авиаметаллы -М., Комбинат печати и чертежей НКТП, 1934, Ч. 4,219 с.
27. А.И. Беляев История металлургии магния в СССР.- Известия ВУЗов. Цветная металлургия., 1967, № 5, стр.167-164.
