proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2021 год
  Агентство  ПРоАтом. 24 года с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
PRo Выставки
Testing&Control
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
Вышло в свет второе издание двухтомника Б.И.Нигматулина. Подробнее
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
Время и Судьбы

[21/12/2010]     Наноинженерия поверхностей изделий машиностроения

В.Н.Половинкин, д.т.н., проф., заслуженный деятель науки РФ, Санкт-Петербург

Наноинженерия - научно-практическая деятельность по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных объектов или структур. Наноинженерия поверхностей относится к наиболее востребованной в машиностроении нанотехнологии, являясь доступным и прогрессивным методом получения перспективных наноматериалов.


Под наноинженерией поверхностей понимаются методы и технологии формирования полифункциональных покрытий поверхностей деталей с заданными прочностными, трибологическими и другими конструкционными или эксплуатационными свойствами.


.
Рис.1 Классификационная схема наноориентированных технологий обработки поверхности

Важнейшим для инженерии поверхностей являются технологии получения функциональных наноматериалов. Современные наноматериалы получают следующими методами:

- порошковой металлургии,
- с использованием аморфизации,
- методами интенсивной пластической деформации,
- поверхностными технологиями,
- комплексными методами.

Наноориентированные технологии обработки поверхности

Методы создания на поверхности материалов модифицированных слоев достаточно изучены, отработаны и широко применяются на практике. Многие из них могут рассматриваться как методы нанотехнологии, так как позволяют создавать наноразмерные и/или наноструктурные слои на поверхности материалов, композиционные материалы с нанокомпонентами, а в ряде случаев и наноматериалы в виде нано- и микроизделий.

Эти методы условно подразделяются на две группы:

- технологии, основанные на физических процессах,
- технологии, основанные на химических процессах.

Среди всех наноориентированных технологий обработки поверхности наиболее перспективными на сегодняшний день являются ионно-вакуумные технологии нанесения покрытий (так называемые РVD и СVD технологии). Полученные такими способами слои отличаются высокой адгезией, при, как правило,  минимальном температурном воздействии на материал основы. Размер кристаллитов в пленках, полученных вакуумным нанесением, может достигать 1-3 нм.

К наиболее распространенным методам наноинженерии поверхностей относятся:

- РVD метод;
- метод термического испарения;
- катодное распыление;
- магнетронное распыление;
- ионно-лучевое распыление;
- ионное плакирование.

Кроме перечисленных методов в машиностроении могут найти применение метод ионно-лучевого перемешивания, а также группа лазерных методов. Наноструктурное состояние в  последнем случае достигается в тонких поверхностных слоях металлических материалов или изделий, полученных по традиционным технологиям, путем взаимодействия вещества с лазерным излучением высокой плотности. Лазерное легирование или имплантация связана с дополнительным введением в оплавляемый поверхностный слой легирующих веществ. Такое введение может проводиться как за счет предварительного нанесения тонкой пленки легирующего вещества на поверхность обрабатываемого материала, так и за счет инжекции частиц порошка (в том числе, наночастиц) в струе газа в зону воздействия лазерного излучения.

Легирование может производиться для:

- создания на поверхности модифицированного слоя с химическим составом и свойствами, отличающимся от основного металла;

- облегчения формирования наноструктурного или аморфного состояния при затвердевании оплавленного поверхностного слоя.

Свойства пленочных наноструктур

Технологии формирования тонких пленок, основанные на методах физического или химического осаждения в вакууме, позволяют получать пленочные наноструктуры толщиной до нескольких атомных слоев. При такой толщине пленок подвижность осаждаемых на подложку атомов (в плоскости осаждения) может быть очень высокой. В результате быстрой диффузии по поверхности, иногда дополнительно стимулируемой ионным облучением, более полно реализуется склонность наноструктур к образованию кластеров. Начинают реализоваться процессы самоорганизации, приводящие к возникновению нанообъектов - нульмерных или одномерных кластеров наночастиц или нанопор. Такие сверхмалые по размерам скопления обладают достаточно выраженными квантовыми свойствами. Они получили  названия «квантовые точки», «квантовые ямы», «квантовые проволоки» или «нанопроволоки».

В качестве наиболее перспективных технологий использования нанопорошков специалисты отмечают следующие:

- технологии   нанесения   износо-,   коррозионностойких   покрытий   методом сверхзвукового «холодного» газодинамического напыления;

- технологии микроплазменного напыления;

- получение наноструктурированных покрытий  с высокой твердостью методом электроискровой обработки в водных растворах и использованием наноразмерных порошковых материалов;

- технологии вакуумного осаждения наноразмерных порошковых материалов.

Получение нанопорошков

Основой наноинженерии поверхностей служат нанопорошки и нанокластеры. Нанопорошки на сегодня являются самым распространенным видом нанопродукции. Основные методы получения нанопорошков представлены на схеме (рис.2).




Рис.2 Методы получения нанопорошков

Мировое производство нанопорошков распределено неравномерно. Многие страны, такие как Бразилия, Южная Африка, Россия и Австралия, являются крупными производителями сырья. В последнее время производство нанопорошков в этих странах стало приобретать массовый коммерческий характер. Более половины производителей нанопорошков сосредоточены в США. Американские производители вырабатывают не менее двух третей всего объема мирового производства нанопорошков. Большую часть остального объема производят Европейский Союз и Азия.

По данным последнего геологического обследования США, Китай производит 74% мирового объема иттрия, Япония – 22%. Растущий объем производства в Китае угрожает мировым поставкам некоторых редкоземельных элементов.

Основными отраслями-потребителями нанопорощков являются: электроника, оптика и обрабатывающая промышленность.

Наиболее востребованными являются порошки из оксидов металлов (80%), сложных оксидов (2%), порошки чистых металлов (15%) и смеси (3%). Из оксидов металлов наиболее популярны диоксид кремния, диоксид титана, оксид алюминия. Кроме того, в мире производятся нанопорошки из оксидов железа, цинка, церия, циркония, иттрия, меди и магния. В последнее время налажен выпуск нанопорошков из оксидов редких металлов: неодимия, европия и диспрозия.

Особое место в наноиндустрии занимает производство порошков из чистых металлов. Их промышленное применение значительно расширяется. Но серьезной проблемой остаются  более высокие затраты на производство однородных порошков металлов с высокой степенью чистоты, чем на производство оксидов металлов. Здесь по объему производства лидируют нанопорошки железа, алюминия, меди, никеля и титана.

Нанопорошки из драгоценных металлов (серебра, золота, платины) производятся в ограниченных объемах.

Особое место в производстве нанопорошков отведено кремнию. Из сложных оксидов наиболее  распространенными являются: сурьмяно-оловянный оксид, индие-оловянный оксид, нитрид кремния, титанат бария, вольфрамово-кобальтовый карбид, наноалмазы.

Основные типы нанопорошков, разработанные и производимые в РФ, приведены в таблице 1.

Табл.1 Основные типы нанопорошков. разработанные и производимые в РФ


В качестве наиболее технологичных приемов получения металлических нанопорошков отечественными специалистами рекомендуются методы электрохимической электрокристаллизации и испарения - конденсации металлов.

Порошки из природных активных минералов

По данным наших исследования, наиболее перспективными для наноинженерии являются ультрадисперсные структурированные порошки из природных активных минералов (ПАМ), отличающиеся максимальными значениями внутренней энергоплотности.

Теоретические аспекты применения нанопорошков, полученных из ПАМ, технологии их нанесения стали предметом научного открытия «Свойство высокоэнергоплотных минеральных веществ изменять параметры триботехнических систем».

Исторически первыми минералами, которые начали широко применяться в целях устранения износа машин, были серпентинитовые породы. Природные «зеркала скольжения» пластов горных пород явились прототипом вторичных покрытий, формируемых на поверхностях деталей машин.   В   настоящее время серпентиниты являются наиболее распространенными, но не самыми эффективными по своим характеристикам природными материалами. В ходе исследований были изучены: серпентиниты; шунгиты, хлоридтримолиты, ряд оксидов кремния; двуокиси алюминия; жадеит; различные аллотропные фазы углерода; слюды, циркон, бадделеит, эвдиалит, оливин, форстерит и другие комбинированные вещества.

Для формирования вторичных трибоструктур (ВТ) используются ультрадисперсные порошки из выбранных активных минералов. С определенной долей условности их можно назвать нанопорошками. Порошки получают истиранием. При этом рабочие элементы - истиратели должны быть выполнены из определенных конструкционных материалов: керамических или металлокерамических. Применение металлических истирателей не допускается. Размерность получаемого порошка зависит от ряда факторов, в том числе, от свойств самих ПАМ. Чем выше внутренняя энергоплотность минерала, тем больше допустимая размерность порошка.

Но максимальная размерность не должна, как правило,  превышать 1-5 мкм.

Принципы организации поведения природных минеральных тел

В основу создания различных технологий формирования вторичных трибоструктур на базе нанопорошков из ПАМ положены общие и частные принципы организации поведения природных минеральных тел.

Наиболее емко принципы структурной организации геологических тел сформулированы профессором Санкт-Петербургского Горного института Н.З. Евзиковой. С её точки зрения в организации всего минерального мира реализуется следующая совокупность общих принципов:

- изначальная поляризованность структурных единиц – геодиполей;
- плотнейшая упакованность геодиполей;
- функциональная специализация элементов геологического тела и прилегающих к ним участков структуры;
- зонально-секторальное строение;
- направленность информационных и энергетических потоков;
- естественное ограничение объема геологических тел.

Совокупность этих  принципов обеспечивает наличие следующих качеств в модели геологических тел, реализовавших вторичную трибоструктуру:

- внутренних генераторов разнообразных процессов;
- упорядоченности строения;
- различия ответной реакции тела на внешнее воздействие в зависимости от точки приложения последнего;
- пространственно-возрастной специфики продуктов жизнедеятельности;
- целостности как единого организма;
- автономного поведения и конечности существования.

Рассматривая минералы и минеральные тела, как аналоги живых  организмов, из всего многообразия принципов структурной организации минеральных тел можно выделить следующие частные принципы:

- способность минеральных тел извлекать энергию из окружающей среды, накапливать, аккумулировать, перерабатывать и рассылать накопленную и переработанную энергию по определенным направлениям, что позволяет осуществлять реакции с уменьшением энтропии, т.е. противостоять своей «тепловой смерти»;

- способность минеральных тел многократно повторять в своей иерархической последовательности  тройственный образ (исходное вещество, доминат, рецессив) изначального предка, который служит генетической основой для типоморфизма;

- присоединение к минеральному телу новых конституционно родственных геоблоков, т.е. увеличение объема системы способствует развитию на границе кристаллизационного давления, служащего фактором завоевания системой так называемого «жизненного пространства»;

- отсоединение от минерального тела старых конституционно родственных геоблоков,   т.е.  уменьшение объема системы приводит к нарушению связанности и цельности системы и постепенному распаду ее на множество сколь угодно малых систем с сохраняющейся программой возобновления роста;

- локальное и разнознаковое изменение объёма минерального тела приводит к образованию его заданной формы, а также к новому виду его внешнего силового поля;

- захват в процессе роста минерального тела «чужеродных» геоблоков загрязняет, прежде всего, его внешнюю оболочку, которая со временем превращается в специфический ограничитель размера макротела;

- существование у минерального тела своего рода «болевых точек» предполагает несколько запаздывающую, но обязательную и неравноценную ответную реакцию тела на техногенные раздражения или повреждения.

 Почти все эти принципы были зафиксированы в ходе экспериментальных исследований искусственно сформированных вторичных трибоструктур из активных минералов.

Технологии формирования вторичных трибоструктур на базе ПАМ

Существуют различные технологии нанесения минеральных покрытий или формирования вторичных трибоструктур. Они различаются методами нанесения и применяемыми  ультрадисперсными порошками из ПАМ. Для каждой технологии характерна своя продолжительность формирования вторичных трибоструктур.

Внести нанопорошок из активного минерала в зону контактного взаимодействия можно в виде добавки к смазочной или охлаждающей среде. Оптимальная концентрация порошка, как правило,  не превышает 1% от  объема рабочей, смазывающей или охлаждающей жидкости.

Допустимо введение порошка и в структуру конструкционных материалов, из которых выполнены узлы трения. В равной степени это касается как металлических (в том числе, и порошковых),  так   и неметаллических полимерных антифрикционных материалов. При таком варианте необходимо соблюдать ряд условий, важнейшим из которых  является предельная температура формирования детали или материала, которая не должна превышать 1400-1800°С.

Наносить минералы на поверхность можно и прямым механическим натиранием или механическим вдавливанием роликом, либо с помощью ультразвуковой обработки. На испытываемых изделиях эти и другие варианты применялись в равной степени. Можно ограничиться одним типом   минерала, либо, в зависимости от условий   эксплуатации наносить комбинированные слои  различных минералов в зависимости от принципа функциональной специализации конкретного ПАМ.

Наиболее доступной  технологией является нанесение ультрадисперсного порошка серпентинита методом механического вдавливания фетром. Для тяжелонагруженных узлов трения   различных   изделий, работающих в условиях воздействия агрессивных сред, целесообразно нанопорошок  кварца наносить методом  механического  вдавливания роликом, а нанопорошок серпентинита -  методом механического вдавливания фетром.

Для всех этих операций на производствах использовался один типовой токарно-винторезный станок 1М63. На ряд изделий наносились покрытия из смеси порошков кварц*серпентинит с индустриальным маслом И-20 путем механического вдавливанием этой смеси с помощью шлифовального круга из фетра.

Сферы приложения технологии формирования ВТ из ПАМ

Технологии формирования вторичных трибоструктур из активных минералов были
внедрены на узлах трения различных автомобилей (легковых и грузовых - всего более 20 марок), на портовых грузоподъемных кранах «Кондор», КПП-10/12,5, КПП-5-30, «Коне», «Альбатрос» и др. Модификации подвергались узлы  и детали более 40 моделей различных станков механической обработки, разнообразный режущий инструмент.

Наиболее широко использование активных минералов практикуется на Калужском турбинном заводе. Благодаря высокой технологичности и рациональности процесса формирования вторичных трибоструктур на втулках выдвижных устройств СВ-9В, удалось заменить трудоемкий процесс нанесения бронзо-фторопластового слоя.  

Нанесение покрытий из активных природных высокоэнергоплотных минералов было осуществлено на энергетическом оборудовании для плавучих атомных электростанций, в том числе, на насосах ЭКН150-110, ПЭ150-75, ЭКН12-50Н, изделия ТК-35/38-3,4.

Внедрение технологии минеральных покрытий позволило Калужскому турбинному заводу отказаться от ряда сложных, энергозатратных и экологически вредных производств.Так, продолжительное время на КТЗ для придания противозадирных свойств на валах насосов использовалась технология гальванического хромирования,  защищавшая от задиров только вал, в то время как на посадочных поверхностях дисков задирные явления сохранялись. Для повышения износостойкости  на защитных   втулках валов применялась технология химико-термической обработки (хромонитридизация), недостатками которой,  кроме экологической вредности, трудоемкости, сложности и энергоемкости,  являются нестабильность геометрических параметров после нанесения покрытия, изменение размеров за пределы допуска. Внедрение технологии     нанесения комбинированного минерального покрытия позволило отказаться от традиционных сложных операций. После нанесения минеральных  покрытий  изделия показали высокую надежность. Значительно снизилась интенсивность  изнашивания, существенно повысилась стабильность работы  изделий в плане устойчивости к воздействию агрессивных сред.

Технология формирования вторичных трибоструктур из  активных  минералов методом механического вдавливания применима для любого узла трения, независимо от материала, из которого изготовлены эти детали.

Технологические аспекты применения ПАМ

В последнее время разработан и внедрен целый ряд промышленных технологий формирования вторичных полифункциональных покрытий на базе ультрадисперсных порошков из природных активных минералов. Наиболее распространенными являются технологии получения вторичных антифрикционных покрытий.

Эти технологии основаны на самоорганизующихся процессах при фрикционном взаимодействии с участием тонкодисперсных порошков из ПАМ. В результате их применения увеличивается износостойкость, снижается сопротивление трения, происходит восстановление узлов трения двигателей, механизмов и устройств за счет инициирования самоорганизующихся трибологических процессов, возникающих при добавлении технологической среды в штатное смазочное масло двигателей, механизмов, устройств и последующей приработки в эксплуатационном режиме.

В качестве технологической среды, как правило, используется тонкодисперсный порошок серпентинита с пониженным содержанием магнетита. Новым в этой технологии является возможность управления триботехническими процессами посредством инициирования самоорганизующихся процессов трения, основанных на «памяти  наследственности» материала узла трения под воздействием тонкодисперсного природного минерала серпентинита.

Для формирования покрытий с твердосмазочной композицией на поверхностях узлов трения широко используется следующая технология. В твердосмазочную композицию входят (в масс. %): кварц 15-20, гетит 5-10, брусит 3-8, поверхностно-активное вещество (ПАВ) 2-7, лизардит - остальное. Исходную смесь минералов с добавлением ПАВ измельчают до дисперсности 1-40 мкм. После чего проводят ее механоактивацию со связующим. Полученный состав (в соотношении в мас.%: твердосмазочная композиция 0,1-2,0, связующее – остальное) размещают между трущимися поверхностями, с последующей его приработкой.

В современном машиностроении известен также способ повышения износостойкости механизмов машин и оборудования при эксплуатации, заключающийся в размещении между трущимися поверхностями состава из органического связующего, например, масла и абразивоподобного вещества, с последующим образованием износостойкой пленки. В качестве абразивоподобного вещества используют механоактивированный мелкодисперсный (0,001 - 1 мкм) порошок метаморфической ультраосновной горной породы, например, змеевика, в количестве 5 - 50 мас. %. Этот порошок используется после удаления излишка органического связующего, а также после добавления к составу дополнительного связующего, например, металлоорганической композиции на основе химических растворов металлов (олова, меди, алюминия, цинка), обладающей высокими антифрикционными и пленкообразующими характеристиками.

Важным направлением в области использования активных минералов является формирование поверхностных слоев с заданными триботехническими свойствами в двигателях внутреннего сгорания - наиболее массовом источнике получения энергии. При участии автора был разработан универсальный способ обеспечения минимальных механических потерь в поршневых машинах - двигателях внутреннего сгорания.

Ряд технологических решений с применением ультрадисперсных порошков может быть использован в энергоресурсосберегающих технологиях в химической, металлургической, горнодобывающей отраслях. Так, метод геоэнергетической интенсификации массообменных процессов осуществляется с использованием измельченного кварцсодержащего геосырья древних горных пород или их смесей, которое специальным образом вводится в дисперсные среды. В качестве интенсифицируемой дисперсной среды применяют керамику, цементосодержащие смеси, жидкие и твердые топлива, смазки, масла, пластполимерные композиции.

Для формирования износостойкого покрытия на поверхности деталей из металлов и сплавов на поверхность наносят слой порошка минерального материала дисперсностью 0,1-50 мкм, смешанного с клеем в соотношении (мас.%): порошок минерального материала 75 - 90; клей - остальное. После формирования слоя поверхность обрабатывается давлением путем обкатки роликом и/или воздействием ультразвуком. Рабочую поверхность инструмента перемещают относительно детали при вращательном или поступательном движении детали.

Наибольшее распространение получила технология, базирующая на введении порошков ПАМ в качестве добавки к смазочному маслу двигателей внутреннего сгорания, механизмов и устройств. Состав такой вводимой смеси содержит (мас.%): смазочное масло 91,0 - 92,4, серпентин 5,0 - 7,0, пироксен 1,0 - 1,4, магнетит 0,6 - 1,0, доломит 0.2 - 0,4. Износ узлов трения при этом снижается на 50-70%, потери на трение уменьшаются в 1,5-2 раза. Данный результат достигается за счет того, что геомодификатор с пониженным содержанием (до 10% по сравнению с исходным порошком) крупных твердых частиц магнетита, попадая в зону трения, структурно модифицирует  поверхность и создает защитный квазисжиженный слой.

Концентрированная взвесь геомодификатора трения (ГМТ), предназначенная для повышения износостойкости узлов трения при эксплуатации, добавляется в штатное смазочное масло двигателей внутреннего сгорания, механизмов и устройств в количестве 3-5 % от массы смазочного масла.

Разновидностями рассмотренных технологий для увеличения межремонтного периода узлов трения нового оборудования, а также при проведении ремонтно-восстановительных работ на изношенном оборудовании без его разборки, являются следующие способы:

- между трущимися металлическими поверхностями размещают измельченную минеральную композицию, формирующую антифрикционное покрытие, содержащее серпентин. Композиция, приготовленная из массивного природного минерала серпентинита путем разбраковки отельных фрагментов по твердости  и химическому составу (с последующей магнитной сепарацией), измельчается до дисперсности 0,1-10 мкм, обеспечивая в результате низкий коэффициент трения и высокую износостойкость получаемого антифрикционного покрытия;

- для формирования антифрикционных покрытий на металлических поверхностях пар трения на поверхность пары трения после ее пластического деформирования ультразвуком, электроискровым методом или плазменным напылением наносят слой из высокопрочных композиционных материалов. Затем этот слой подвергается пластическому деформированию ультразвуком, после чего наносится слой из высокодисперсных природных минералов, который также подвергают пластическому деформированию ультразвуком.

Наноинженерия поверхностей для атомэнергомашиностроения

Наноинженерия поверхностей особенно актуальна для атомэнергомашиностроения. Оно предъявляет особые требования к конструкционным материалам. Эксплуатационные требования, как правило, не позволяют использовать в атомной энергетике монометаллы. Так, антифрикционные покрытия в атомной энергетике могут работать не только в агрессивной среде, но и в условиях воздействия ионизирующего излучения. Проведенные исследования показали, что в максимальной степени всем требованиям отвечают наноструктурированные покрытия, в том числе, полученные на базе активных минералов. Такие покрытия использовались в упорных пятах насосов и турбин изделий ОАО «КТЗ». В ходе предварительных испытаний было установлено, что данные покрытия надежно работают в обессоленной, обескислороженной воде с добавкой аммиака.

Отличительной особенностью наноструктурированных покрытий является то, что они надежно работают в условиях существенного облучения. Например, максимальная суммарная доза ионизирующего излучения (от основного источника и от радиоактивных изотопов теплоносителя) в переднем подшипнике турбины изделия «Сенега» составляет, по оценке РНЦ «Курчатовский институт», 1,5х105 Р. С учетом этого наноструктурированные покрытия, в том числе, выполненные на базе активных минералов, испытывались в условиях облучения узлов трения до проектного значения гамма-дозы. При этом была подтверждена высокая радиационная стойкость покрытий, а также отсутствие у них наведенной активности. Более того, было установлено, что такие покрытия можно наносить практически на все конструкционные материалы, традиционно используемые в атомэнергомашиностроении.
 

 
Связанные ссылки
· Больше про Машиностроение
· Новость от Proatom


Самая читаемая статья: Машиностроение:
Современные быстроходные и тихоходные паровые турбины

Рейтинг статьи
Средняя оценка работы автора: 5
Ответов: 1


Проголосуйте, пожалуйста, за работу автора:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 1 Комментарий | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Наноинженерия поверхностей изделий машиностроения (Всего: 0)
от Гость на 21/12/2010
Коллега,  а для кого это? Это элементы технологий. Где продукция которую можно продавать в магазинах?Только про Чубадура не нужно....


[ Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(921)9589004
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
За содержание публикуемых в журнале информационных и рекламных материалов ответственность несут авторы. Редакция предоставляет возможность высказаться по существу, однако имеет свое представление о проблемах, которое не всегда совпадает с мнением авторов Открытие страницы: 0.08 секунды
Рейтинг@Mail.ru