Fe, Al, Mg, Ti... ИГРАТЬ ПОДАНО!

Fe, Al, Mg, Ti... ИГРАТЬ ПОДАНО!

]

фото из 

архива редакции

ПОДАРОК БОГОВ

Все же боги не оставляют человека своим вниманием и подсовывают ему разные полезные вещи. Если бы было иначе, разве заполнили бы они три четверти таблицы Менделеева удивительными элементами — металлами?

Чем отличаются металлы от неметаллов? Они пластичны (под действием нагрузки деформируются без разрушения) и в то же время обладают высокой прочностью на разрыв, хорошо проводят электричество и тепло. Характерный «металлический» блеск говорит о том, что они хорошо отражают электромагнитные волны (в том числе и свет). Этими свойствами металлы обязаны своему характерному строению: атомы выстраиваются в пространственную кристаллическую решетку, но при этом не все электроны связаны с атомами — часть их подвижна, образуя некий заполняющий решетку «электронный газ»: он и отвечает за электро- и теплопроводность.

Недостатки, однако, суть продолжение достоинств — и главный «грех» металлов в том, что они охотно вступают в химические реакции. Кусок угля, камня или керамики пролежит тысячи лет без изменения, а металл за это же время съест ржа! Поэтому, за малым исключением (так называемые «благородные»), наши герои и не встречаются в природе в чистом виде: их приходится извлекать из руды, возводя огромные сооружения и тратя немалые средства. Да и готовую деталь надо всячески защищать от воздействия природной среды.

Есть у металлов еще одно удивительное свойство: они охотно образуют сплавы как с другими металлами, так и с неметаллами. Причем сплав — необязательно химическое соединение: чаще это «пороки» кристаллической решетки, когда часть атомов одного металла замещена атомами другого, либо две решетки «встраиваются» друг в друга! Поразительное в том, что «неправильные» сплавы по своим свойствам… намного лучше чистых металлов: манипулируя добавками, можно получать материалы с заданными качествами.

Мы сплошь и рядом имеем дело именно со сплавами, а не с чистыми металлами (которые находят применение лишь в атомной промышленности). По технологии применения сплавы условно делятся на две большие группы: литейные, из которых делают детали литьем, и деформируемые, из которых детали получают при помощи механической обработки (штамповка, резка и т. п.). Как правило, первые в жидком состоянии превосходно заполняют форму, но не столь прочны в застывшем виде. Вторые же отличаются хорошей пластичностью в твердом состоянии и высокой прочностью, но их литейные свойства невысоки.

Собственно говоря, а что такое прочность? Ее оценивают по разным (несколько десятков!) параметрам, но важнейший — предел прочности при растяжении. Наберите воздуха — это напряжение (в кГ/мм2 или Н/м2), соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, отнесенной к начальной площади его поперечного сечения до испытания. Проще говоря: берут специально изготовленную деталь (ее форма и размеры оговорены стандартами) и на испытательной машине растягивают ее, плавно повышая нагрузку, до разрыва. Усилие в момент перед разрушением, деленное на площадь поперечного сечения, и покажет предел прочности.

Самые распространенные в земной коре металлы — железо, алюминий, магний, титан. Эти же материалы, естественно, наиболее употребимы в технике, в том числе и в конструкции мотоцикла.

ЖЕЛЕЗО

Этот металл не зря называют «хлебом промышленности». Более 90% всех используемых в технике материалов — это сплавы железа. И важнейшей добавкой является не металл, а… углерод! Если содержание углерода в сплаве от 2 до 5%, такой материал называется чугун. Он — самый дешевый из конструкционных материалов. Литейный чугун превосходно заполняет форму, но хрупок (предел прочности — от 12 до 38 кГ/мм2). С давних пор его используют в двигателестроении. Когда-то из чугуна отливали поршни, картерные детали, цилиндры и блоки цилиндров. На последней позиции он до сих пор — фаворит (тем более, что добавками графита удается снизить коэффициент трения), но в мотоциклостроении уже практически не используется: тяжел! Ведь плотность железа и его сплавов — 7,87 г/смз. Поэтому уже с 20-х годов используются алюминиевые цилиндры с чугунными гильзами, а нынче и гильзы уступили место разным видам покрытий (хром, никасиль или более сложные металлокерамические композиции).

Ковкий чугун пластичнее и прочнее (предел прочности — от 30 до 60 кГ/мм2), его используют, например, для изготовления тормозных дисков. Специальные марки чугуна применяются также для коленвалов, поршневых колец и т. п. 

Но все же сплав № 1 — это сталь, материал, в котором содержится до 2% углерода. Он характеризуется ковкостью и высокой прочностью: предел прочности от 30 до 115 кГ/мм2 для углеродистой стали и до 165 кГ/см2 для легированной стали. В последней, кроме углерода, применяется множество так называемых легирующих (от латинского ligo — «связываю, соединяю») добавок: никель дает высокую прочность и пластичность, марганец увеличивает твердость и стойкость к ударным нагрузкам, ванадий повышает прочность, сопротивление удару и истиранию, хром повышает твердость и уменьшает ржавление… и так далее. Но у легированных сталей свои недостатки: высокая стоимость и сложная технология сварки (поскольку обычная электродуговая сварка «выбивает» легирующие элементы, снижая прочность шва).

К какому бы элементу мотоцикла мы не обратились, повсюду найдем сталь: «внутренности» двигателя и коробки передач, всяческие оси и кронштейны, элементы подвесок, рамы, крепеж, наконец… Хром-молибденовая сталь, прочная и податливая, используется для рам спортивных мотоциклов. А «вершина эволюции» — легендарный хромансиль, хромокремнемарганцовая сталь с рекордными показателями прочности на разрыв.

АЛЮМИНИЙ

Если знакомство человека с железом продолжается несколько тысяч лет, то его «роман с алюминием» не насчитывает и двух сотен! Причем поначалу технология его получения была такой дорогой, что распространеннейший в земной коре элемент считался… ювелирным материалом.

Всерьез за алюминий и его сплавы инженеры взялись лишь с развитием авиации. Ведь этот материал втрое легче стали: плотность его сплавов, в зависимости от состава, от 2,6 до 2,85 г/смз. Правда, и механические свойства не высоки: предел прочности для литейных сплавов — от 15 до 35 кГ/мм2, для деформируемых — от 20 до 50 кГ/мм2 (лишь для самых дорогих и «сложных» сплавов — до 65 кГ/мм2). Казалось бы, выигрыша никакого: втрое легче и втрое слабее — то ж на то ж и приходится! Но спасение предлагают законы сопромата: на жесткость детали влияет не только прочность материала, но и ее геометрические размеры. То есть алюминиевая деталь того же веса, что и стальная, гораздо жестче ее на изгиб и кручение (а при равных показателях жесткости она, соответственно, легче).

Этот фокус и определил победное шествие алюминиевых сплавов в мотоциклостроении. Фактически оно началось после первой мировой войны, когда в мирную жизнь хлынули авиационные технологии. Поначалу алюминий применяли для изготовления картерных деталей, поршней, чуть позже — для головок цилиндров и самих цилиндров. Но уже к концу 20-х годов относятся первые попытки делать из алюминиевых сплавов и рамы, хотя в широкую практику они вошли лишь в 80-е годы ХХ века. В общем, алюминиевые детали для современных мотоциклов можно перечислять бесконечно: маятники задней подвески и трубы передней, колеса, кронштейны и траверсы руля, и т. д., и т. п. 

Кстати, стоит развеять популярное заблуждение о якобы высоких антикоррозионных свойствах алюминиевых сплавов. На самом деле алюминий — настолько «активный» металл, что моментально вступает в реакцию с кислородом воздуха. В результате получается окисная пленка, которая как раз и защищает металл. Но у разных сплавов — разная коррозионная стойкость. Если литейные защищены достаточно хорошо, то пленка на деформируемых порой слаба (ее свойства зависят от легирующих добавок). Так, созданный в начале ХХ века для авиации первый высокопрочный алюминиевый сплав — дюралюминий — для защиты от коррозии приходится… покрывать («плакировать») чистым алюминием!

МАГНИЙ

Одно из ярких воспоминаний времен моей конструкторской деятельности: пришел из цеха приятель-картингист и бросил увесистую на вид болванку: «Лови»! «Идиот», — только и успел я вякнуть, пытаясь увернуться от летящей чушки. Но когда ее поймал, не поверил себе: словно держал в руках кусок пенопласта. Так состоялось мое первое очное знакомство с магнием — одним из самых легких металлов. Его плотность — 1,74 г/смз — в 4,5 раза меньше, чем у железа, и в полтора раза меньше, чем у алюминиевых сплавов.

Прочность тоже ниже: предел прочности от 9 до 27 кГ/мм2 для литейных сплавов и от 18 до 32 кГ/мм2 для деформируемых. И это бы не беда (законы сопромата на стороне «легковесов»!), но очень уж много у магния побочных «болячек». Во-первых, он дорог. Например, компания MV Agusta свои элитные спортбайки выполняет сначала в Serie Oro, с элементами рамы, маятником задней подвески и колесами из магниевого сплава. Так вот, MV Agusta F4–750 Serie Oro весила 180 кг — на 10 кг легче «обычной» F4S, у которой эти детали — из алюминиевого сплава. А стоила Serie Oro вдвое дороже, чем F4S!

Это еще не все. Магний настолько легковозгораем, что его приходится защищать и при литье, и при сварке, и даже при механической обработке. Он также нестоек к коррозии, и детали приходится оберегать вдвойне: оксидировать, а затем наносить лакокрасочное покрытие. И все равно в морской воде и прочих соляных жижах (в том числе и на тех, что возникают на зимних дорогах) магниевые сплавы гибнут «на раз».

И все же… ну очень легкий материал. Поэтому начали применять его уже в 20-е годы (тогда магниевые сплавы носили поэтическое название «электрон»). В качестве конструкционных материалов (для рам, колес и прочих деталей шасси мотоциклов) применяют редко, чаще для гоночной техники. А на серийной — охотно делают крышки картеров, клапанных механизмов и прочие не очень ответственные детали.

ТИТАН

Все же боги любят посмеяться! Судите сами: почти идеальный материал, прочный, легкий, жаростойкий, великолепно сопротивляется коррозии. И в земной коре его полным-полно: четвертый по распространенности металл, после алюминия, железа и магния. Но попробуй его из этой коры извлечь! Кошмарно сложная технология получения и определяет высокую стоимость и малую распространенность титана.

Впервые металлический титан удалось получить лишь в 1910 году! Кстати, именно за титанические усилия по его извлечению материал и получил свое название. В 1948 году во всем мире было произведено лишь две тонны титановых сплавов. Но сверхзвуковой авиации и космической технике металл пришелся «ко двору», и его добыча стала развиваться лавинообразно. Вот уже и мотоциклам перепало…

Итак, что же за чудесные свойства? Во-первых, титан существенно легче стали: 4,51 г/смз. При этом прочность его сплавов — как у лучших легированных сталей: от 75 до 180 кГ/см2. Окисная пленка отличается высокой прочностью и определяет великолепную коррозионную стойкость. Некоторые марки сплавов имеют высокую жаростойкость. Титановые сплавы хорошо обрабатываются, свариваются (в нейтральной среде), обладают отличными литейными свойствами. В общем, идеал. Если бы не цена…

Так что пока применение титана на мотоциклах скромное. На гоночных машинах из его сплавов делают элементы ходовой части, но чаще все-таки их применяют для деталей двигателей: шатуны, клапаны, клапанные пружины. В общем, там, где требуется сочетание высокой прочности и легкости. Нередко из титана делают и крепеж. Вот основные конструкционные металлы, применяемые в мотоциклах. За рамками обзора остались медь, благодаря своей рекордной электропроводности работающая в системе электрооборудования, и свинец, занятый секретной химической работой в аккумуляторе… Конечно, любой почтенный металловед сочтет своим долгом публично отхлестать меня за профанацию сей высокой науки и справедливо укажет на массу интереснейших и полезнейших фактов, пропущенных мною. В оправдание могу лишь сослаться на Козьму Пруткова: «Нельзя объять необъятное».

Ошибка в тексте? Выделите её мышкой! И нажмите: Ctrl + Enter

Комментарии