МЕТАЛЛОВЕДЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ

— Да, в определенной степени. Мои родители — инженеры в области химического машиностроения. Отец Виктор Матвеевич Макаров в 40 лет стал директором Уралхиммаша, которым руководил 18 лет. Был доктором технических наук, профессором, в 1986–1994 гг. — первым директором-организатором Института машиноведения УрО РАН. Старший брат Александр Викторович тоже стал доктором наук (экономических) и профессором. Мама Алевтина Гавриловна была конструктором в НИИХиммаше.

Я поступил на механико-машиностроительный факультет Уральского политехнического института, ныне УрФУ. Первое мое знакомство с академическими учеными произошло на четвертом курсе: как секретарю комитета комсомола факультета мне поручили подготовить речь по выдвижению академика С.В. Вонсовского в депутаты Верховного совета РСФСР. После окончания института по приглашению В.Ф. Ухова устроился на работу в Институт металлургии УНЦ АН СССР, там же проходил аспирантуру, а исследования проводил в Институте физики металлов в лаборатории В.М. Счастливцева. В 1986 г. окончательно перешел в ИФМ, где занимался повышением износостойкости сплавов, в том числе с помощью лазерного упрочнения. Лазерной тематикой живо интересовался академик В.Д. Садовский, с именем которого связаны классические работы по проявлению структурной наследственности в сталях при лазерном нагреве. И мне в течение восьми лет довелось общаться с Виссарионом Дмитриевичем. Об этом я написал в «Гимне металловедов»:

В 2000–2014 гг. я заведовал лабораторией конструкционного материаловедения Института машиноведения УрО РАН, а затем снова вернулся в ИФМ в качестве заведующего отделом материаловедения, который ранее возглавляли академики В.Д. Садовский, В.М. Счастливцев и член-корреспондент В.В. Сагарадзе.

Вот такая научная биография. Я принадлежу к уральской школе металловедения, которой посвящены стихотворные строчки:

— Специализировался как в области металловедения, так и в области электромагнитного неразрушающего контроля, чему послужило предложение Э.С. Горкунова о совместных исследованиях. При этом проблемы износостойкости и контроля качества износостойких материалов и покрытий я рассматривал с точки зрения металловеда.

60-80% изделий машиностроения выходят из строя вследствие поверхностного разрушения при изнашивании. Процессы коррозионного, эрозионного разрушения и даже появления усталостных трещин также развиваются в поверхностных слоях изделия. Чтобы повысить долговечность и надежность различных деталей и инструментов, нужно сформировать на их поверхности высокопрочные, износостойкие и коррозионностойкие поверхностные слои и покрытия. Их получают, например, с помощью лазерной закалки или наплавки. В те годы своего технологического лазера у нас не было, вернее, был маломощный твердотельный лазер, который быстро отработал свой ресурс. Впрочем, и до сих пор лазера нет. И тем не менее мы получали фундаментальные результаты и предлагали промышленности реальные технологии.

Так, в конце 1980-х гг. мы с Л.Г. Коршуновым разработали технологию упрочнения деталей буровых долот. Начали с лазерного метода формирования износостойких структур, а в итоге стали создавать требуемые структуры на доступном для массового производства оборудовании, имеющемся на заводе. Я тогда до семи месяцев в году проводил в командировках, отслеживая изготовление и испытания опытных долот. Чтобы внедрить технологию, нужно было получить положительные результаты приемочных испытаний в пяти различных регионах России. Поэтому довелось побывать в Сургуте, Салехарде, Ноябрьске, Тарко-Сале, Тевризе и других городах Западной Сибири. Нас забрасывали вертолетом — «бортом» — на буровые станции, куда добраться можно было еще только по замерзшей дороге (зимником). Испытания прошли успешно, и в 1989 г. наша технология упрочнения была внедрена на заводе «Уралбурмаш» в Верхних Серьгах в крупносерийном производстве 11 типов буровых шарошечных долот. Экономический эффект только для одного типа долот составил 2,5 миллиона рублей в год, при том что годовой бюджет большой (более 30 сотрудников) лаборатории физического металловедения, где я тогда работал, был в несколько раз меньшим. Мы даже получили максимально возможный гонорар — 20 тысяч рублей за внедренное рацпредложение и авторское свидетельство на эту технологию. Правда, когда эти деньги до нас дошли в пору бешеной инфляции начала девяностых, вместо трех автомобилей на них можно было купить всего пару батонов колбасы.

В память о тех годах сохранились строчки, посвященные моему главному учителю в науке доктору технических наук Льву Георгиевичу Коршунову:

— Мы исследовали процессы, которые происходят в тонких поверхностных слоях при трении. Оказалось, что на поверхности трения металлических материалов всегда естественным путем возникают нанокристаллические структуры. Их изучение позволило объяснить важнейшие трибологические (от лат. tribos — трение) свойства металлов и сплавов. Более того, у нас возникла идея использовать трение для целенаправленного фрикционного наноструктурирования материалов, чтобы улучшить эксплуатационные характеристики поверхности.

— Трение наряду с гравитацией — важнейшие процессы, определяющие жизнедеятельность на Земле. Основополагающий вклад в осмысление явления трения внес гениальный мыслитель эпохи Возрождения и величайший инженер Леонардо да Винчи, что стало особенно очевидно после сенсационной находки в 1960-х гг. в Национальной библиотеке Мадрида двух неопубликованных рукописей, названных «Мадридский кодекс». Великий Леонардо на основе опытов открыл основные законы трения и впервые ввел в инженерный обиход понятие коэффициента трения.

В самой природе трения заложено важнейшее условие деформационного наноструктурирования — создание напряженного состояния, реализуемого при сдвиге под высоким давлением. Технологию формирования на поверхности материала наноструктурированного слоя назвали наноструктурирующей фрикционной обработкой. Она позволяет повысить твердость, износо- и теплостойкость, а также коррозионную стойкость поверхностных слоев металлических материалов и одновременно улучшить качество их поверхности, уменьшить ее шероховатость. Это касается практически любых сплавов, включая высокопрочные и труднодеформируемые термоупрочненные стали или хромоникелевые лазерные наплавки.

Наши фундаментальные разработки в этой области уже находят применение в машиностроительном производстве. Совместно с коллегами из ООО «Сенсор» (г. Курган), которое возглавляет доктор технических наук В.П. Кузнецов, была разработана финишная технология наноструктурирующего выглаживания (этому посвящена докторская диссертация Виктора Павловича). Технология успешно используется на этом предприятии при изготовлении запорной арматуры и деталей погружных насосов. Мы продолжаем исследования в этом направлении. В 2018 г. получен патент РФ на новый способ ультразвуковой ударно-фрикционной обработки, предложено использовать фрикционную обработку для активизации химического модифицирования при плазменных обработках, а также перед нанесением тонкопленочных покрытий.

— Мы обнаружили новый эффект: в результате высокотемпературного отжига в лазерном покрытии на основе никеля формируются термически стабильные износостойкие структуры каркасного типа с крупными карбидами и боридами хрома. После такой обработки материал из класса теплостойких переходит в класс жаропрочных. Этот эффект использован в инновационной технологии изготовления стенок кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок с композиционными износостойкими покрытиями. В свое время такими машинами славился Уралмаш, а сейчас мы покупаем их в основном за рубежом. В процессе эксплуатации стенки кристаллизаторов подвергаются интенсивному нагреву, значительным механическим нагрузкам, износу, коррозии и эрозионному разрушению. Это дорогостоящий расходный материал. Традиционно для упрочнения импортных стенок из медных сплавов применяются гальванические покрытия. Использование композиционных покрытий с термической обработкой повышает ресурс стенок в 3–12 раз относительно зарубежных аналогов. В Нижнем Тагиле на ЗАО «Машпром», которое возглавляет А.Б. Котельников, организовано производство плит кристаллизаторов с износостойкими покрытиями, которое полностью покрывает потребности российских предприятий и ориентировано на экспорт продукции. Испытания новой импортозамещающей технологии прошли на крупнейших металлургических комбинатах России, и суммарная эффективность ее применения уже превысила 10 млрд рублей.