Перспективные направления применения нанотехнологий в машиностроении

Оглавление

 

 

Введение

 

Характерной особенностью развития ведущих экономически развитых стран является переход к инновационной экономике, внедрение перспективных разработок, принципиально новых высоких технологий 
во все сферы деятельности человека. Одним из приоритетных направлений развития научно-технического прогресса в мире являются нанотехнологии. При этом данное направление зачастую рассматривается как рычаг, способный обеспечить политическое, финансовое и 
военное превосходство.

Первое упоминание о методах, впоследствии названных нанотехнологией (НТ), сделал Ричард Фейнман в 1959 году в своей знаменитой речи «Там внизу полно места». В 1974 году Норио Танигучи впервые назвал этим термином производство изделий размером порядка нанометров. В 1986 году он написал книгу «Машины созидания: грядет эра нанотехнологии», а Эрик Дрекслер популяризовал данный термин в книге «Инструменты развития: наступающая эра нанотехнологии» [1,2]. Однако, научные исследования, например, по проблеме дисперсных систем проводились уже более 100 лет. После изобретения в 1960 году способа получения аморфных металлов закалкой жидкого состояния, и особенно после разработки в 1968 году метода спиннингования — закалки расплава на поверхности вращающегося диска — было освоено их промышленное производство. В дальнейшем путем подбора соответствующего химического состава, регулирования скорости закалки, механической или термической обработки затвердевших аморфных

сплавов были получены нанокристаллические и композитные аморфно-нанокристаллические металлы, в которых размер кристаллов укладывается в нанометровый диапазон [3].

В 2000 г. в США принята приоритетная долгосрочная программа, названная «Национальной нанотехнологической инициативой» [2]. Она рассматривалась как эффективный инструмент, способный обеспечить лидерство США Ее финансирование в 2003 г., увеличившись по сравнению с 2000 г. в 2,5 раза, достигло 710 млн долл. По прогнозам американской ассоциации National Science Foundation мировой объем рынка товаров и услуг с использованием НТ может в ближайшие 10-15 лет вырасти до 1 трлн. долл. В том числе в промышленности материалы с высокими заданными характеристиками, которые не могут быть созданы традиционными способами, могут в ближайшие 10 лет занять рынок объемом 340 млрд. долл. Долгосрочные программы приняты Европейским Союзом, Японией, Китаем, Бразилией, ЮАР и др. — всего 35 странами.

Национальная  инициатива по нанотехнологиям правительства США использует следующие критерии для определения того, что считается НТ [2]:

• Исследования и технологические разработки на атомном, молекулярном или макромолекулярном уровне, в диапазоне линейных размеров порядка 1-100 нм.

• Создание и использование структур, устройств и систем, обладающих новыми свойствами и функциями благодаря их малому и/или промежуточному размеру.

• Возможность  контроля объектов или манипулирования  ими в отдельных атомах.

В СССР научно-техническое направление по получению и изучению свойств наноматериалов (НМ) (в то время УД материалов) сложилось в 50-е годы XX века. На предприятиях атомной промышленности СССР были получены порошки с размером частиц около 100 нм, которые успешно применялись при изготовлении высокопористых мембран для диффузионного метода разделения изотопов. В 60-е годы в ИХ Ф АН СССР был разработан левитационный метод получения УД порошков. В 70-е годы с помощью использования электрического взрыва проводников и плазмохимического синтеза ассортимент УД порошков был существенно расширен. В МИСиС и ряде других вузов и НИИ в 70-е годы были разработаны химические методы синтеза нанопорошков металлов и композиций на их основе [4].

Для выполнения Программы развития наноиндустрии в РФ до 2015 года формируется структура национальной нанотехнологической сети, в состав которой входят: Российский научный центр «Курчатовский институт», осуществляющий научную координацию деятельности по реализации президентской инициативы «Стратегия развития наноиндустрии»; Российская государственная корпорация нанотехнологий (Роснанотех), решающая задачи организационной и финансовой поддержки инновационной деятельности в сфере НТ, и др. [5].

Возможности для машиностроения

 

Машиностроение является, в основном, потребителем объемных наноструктурированных материалов (стали, титан и его сплавы, алюминиевые сплавы, керамика, пластмассы и композиционные материалы), материалов с памятью, порошковых материалов и комплектующих наноизделий (гидро- и электрооборудование, нанопродукция приборостроения и др.). Существенный эффект ожидается от внедрения технологических процессов нанесения износостойких покрытий на режущие инструменты, штампы и прессформы, а также износо-, коррозионно-, жаростойких и водооталкивающих покрытий деталей машин. Важное значение имеет нанострукурированная продукция триботехнического направления и оборудование для обработки деталей с нанометровой точностью и для нанесения нанопокрытий [6]. При этом улучшение соответствующих качественных показателей (прочность, твердость, пластичность, износо-, жаро-, коррозионная стойкость и т.д.) может быть достигнуто как посредством введения наноразмерных добавок (нанопорошков, нанотрубок, фуллеренов и др.) при осуществлении того или иного технологического процесса (литье, прессование, нанесение покрытий и др.), так и за счет соответствующих технологических режимов изготовления заготовок и изделий (равноугольное прессование, термомеханическая обработка и др.). Сами по себе наноматериалы в чистом виде, например, углеродные трубки, не нужны: серьезные положительные изменения в экономии, в том числе и в машиностроение, внесут макроматериалы из нанотрубок или содержащие нанотрубки [7].

Рабочая группа по Форсайту РНЦ «Курчатовский институт» считает [8], что к 2015 году будет происходить формирование рынка потребителей наноматериалов и псевдонаноматериалов (рыночных высокотехнологичных продуктов, заявленных как нанотехнологические, но таковыми не являющихся). Появится большое число потребительских продуктов, в которых тем или иным образом используются НТ, конструкционные композитные материалы на базе высокопрочных волокон (углеродных нанотрубок) для промышленного применения, например, в авиастроении, автомобильной и военной технике; увеличится применение нанопорошков и нанопокрытий, в том числе в машиностроении, применение НТ для производства абразивных материалов, буровых и металлообрабатывающих инструментов. В табл. 1 представлена классификация НТ для машиностроения [9].

Таблица 1. Классификация  нанотехнологий для машиностроения [11]

Российские достижения

 

В последнее  время и в России наметились определеные успехи в практической реализации научных исследований. Так, наноструктурированная продукция инструментального и триботехнического назначения уже сейчас не уступает лучшим зарубежным аналогам.

В отчете ФЦНТП [10] представлены результаты внедрения в производство ряда изделий с применением НТ, в том числе непосредственно для машиностроения, или которые могут быть применены на предприятиях данной отрасли, в том числе: производство поворотных резцов с наноструктурными кернами для фрезерования асфальтобетонных покрытий дорог, пластов в соле- и угледобыче; пластин режущего инструмента; наноструктурированных гидроштампованных нержавеющих фитингов (крестовины, угольники, переходники). Сортамент - сталь 12Х18Н ЮТ диаметр 6-50 мм, толщина стенки 0,8-2,0 мм. Созданы промышленные образцы новой импортозамещающей продукции и инновационных проектов в области объемного наноструктурирования традиционных металлов, обеспечивающих повышение долговечности. Это стальные и керамические изделия конструкционного, инструментального и триботехнического назначения, нержавеющие оболочки для малых космических аппаратов и ветроэнергетики, фитинга нового поколения; изделия для авиакосмического, энергетического и транспортного машиностроения, строительных, добывающих и перерабатывающих отраслей. Без изменения химического состава стандартных быстрорежущих сталей и твердых сплавов ВК и ВМ за счет термоциклического нанострукурирования и ионного синтеза 51С и 5Ю2 из плазмы кремния создан уникальный металло- и деревообрабатывающий строительный и буровой комбинированный инструмент, не имеющий аналогов по стойкости и на 15-20% дешевле лучших мировых образцов.

Заметный прогресс достигнут в области производства ультрадисперсных нанопорошков. Расширяются и области их применения. Так, выпускаемые концерном «Наноиндустрия» наноразмерные порошки на основе серпентинитов нашли массовое применение в узлах трения практически всех видов оборудования. Речь идет о технологии восстановления изношенных узлов и механизмов промышленного оборудования до первоначальных параметров с помощью специальных ремонтно-восстановительных составов (РВС). Стоимость ремонта по РВС-технологии в 2-3 раза ниже, чем при использовании обычных технологий, что позволяет заменить плановые ремонты планово-предупредительной обработкой с увеличением межремонтного срока в 1,5-2 раза. Экономия электроэнергии и топлива после РВС составляет 10-15%. Эта технология уже используется на ряде крупных предприятий: в ГУЛ «Мосводоканал», на Московской железной дороге, во ФГУП ММП «Салют», ОАО «Аэроприбор», ОАО «Карачаровский механический завод», на Московском метрополитене, в грузовом аэропорту Шереметьево. Ее успешные испытания прошли в странах Европы.

Значительный  эффект обеспечивается не только при получении наноструктур объемных материалов на металлической или керамической основе, но и в результате образования в поверхностных слоях изделия нанофазных комплексов, например, путем имплантирования ионов Сг, Тi, С в поверхности контактирующих деталей. Наноструктуризация поверхностей деталей подшипников повышает их долговечность в 2-3 раза (с 150-200 до 500-600 млн циклов), долговечность инструмента возрастает в 5-6 раз [ 10].

Порошки медных сплавов в течение длительного времени используются для производства противоизносных препаратов марки РиМЕТ. Реметаллизанты серии РиМЕТ- это препараты, включающие наночастицы, особо активные в зонах трения и покрытые специальной оболочкой. Частицы свободно циркулируют в масле, не взаимодействуя с ним, а используя его как средство доставки в зоны трения. Здесь под действием высокой температуры и давления частицы активируются и начинают создавать на поверхности пар трения новый слой. Этот слой образуется при взаимодействии частиц препарата и продуктов износа металлической поверхности и принимает на себя всю нагрузку с поверхности пар трения. При этом наблюдаются следующие процессы: нормализация структуры кристаллической решетки, снятие поверхностной усталости, заполнение задиров [7,10].

Базовые установки и технологии нанесения тонкопленочных (от 10 нм до 50 мкм) нанострукурированных покрытий с использованием высокоскоростного ионноплазменного и ваукуумнодугового напыления, разработанные ФГУП ВНИИНМАШ имени академика А .А. Бочвара и ООО «МЭШ плюс», обеспечивают:

• нанесение многокомпонентных, сложных по составу и структуре материалов, включая наноструктурированные и многослойные покрытия;

• создание новых материалов в виде покрытий и порошков, включая нанокластерные;

• снижение стоимости 1 м² покрытия, нанесенного в вакууме, до стоимости аналогичного покрытия, нанесенного гальваническим путем.

Из данных НМ может быть изготовлена различная уникальная продукция: изделия авиационно-космической техники 5-го поколения, жидкие и твердые

смазки для  пар трения, суперэффективные химические аккумуляторы для синтеза новых веществ и др. [И).

 

Перспективы

 

Из более 80 проектов, включенных в ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», только 8 посвящены их практическому использованию в машиностроении. Также только 7 проектов, внедрение которых планируется осуществить в машиностроении (из 37 для всех отраслей), одобрены к финансированию ГК «Роснанотех», в том числе:

• создание серийного применения очищенного модифицированного монтморрилонита и полимерного нанокомпозита на его основе;

•  создание промышленного производства оборудования для синтеза многофунатональных нанокерамических покрытий;

• создание массового производства сверхвысокопрочных пружин;

• создание производства износостойких изделий из наноструктурных керамических и металлокерамических материалов;

• создание производства монолитного твердосплавного металлорежущего инструмента с наноструктурированным покрытием;

• производство режущего инструмента из сверхтвердого материала;

• серийное производство электрохимических станков для прецизионного изготовления деталей из наноструктурированных материалов и нанометрического структурирования поверхности.

Параллельно будет осуществляться внедрение уже имеющихся разработок.

Возможности применения наноматериалов и нанопокрытий для машиностроения

 

Повышение свойств  наноструктурированного металла при использовании взамен аналога позволяет [9]:

1. Снизить расход металла за счет облегчения массы изделий в связи с уникальными физикомеханическими свойствами материалов.

2. Снизить затраты в процессе эксплуатации более легких изделий.

3. Повысить надежность и срок службы изделий.

4. Снизить затраты на обработку, например в результате улучшения штампуемости.

5. Повысить стойкость инструмента.

Применение  объемных НМ на металлической основе делает возможным инновационное перевооружение промышленности: авиакосмического, энергетического и транспортного машиностроения, станкоинструментальной, горнодобывающей, медицинской промышленности и ТЭК. Ресурс изделий различного назначения, изготовленных по новой технологии, может увеличиться от 200 до 500%.

В работе [12] представлены возможности получения нанострукурированных материалов с дисперсионно-упрочненной структурой на основе порошков алюминия и/или его сплавов (например, А1-Мg и др.). При их изготовлении использован метод «реакционного механического легирования» в аттриторах с добавлением в различных вариантах в них углерода в виде графита, количества которого должно быть достаточно не только для образования механосинтезированных упрочняющих частиц (дисперсоидов) карбидов алюминия нанодисперсного уровня, но и для нахождения остаточного углерода в конечном (горячеэкструдированном) материале в виде равномерно распределенных в нем частиц графита, играющего роль сухой смазки. Разработанные материалы обладают следующими свойствами:

а) эксплуатационные, обеспечивающие (при применении в текстильной промышленности):

♦ возможность увеличения скоростей вращения основных деталей и узлов текстильного оборудования и, соответственно, его производительности не менее, чем в 2,5 раза;

♦ уменьшение износа трущихся поверхностей деталей на 10-15%, что обеспечено при коэффициенте трения материала при работе в паре со сталью ШХ15, равном 0,15-0,25;