Засл. деятель науки РФ, д.т.н., профессор
Половинкин В.Н.
К.т.н. Фомичев А.Б.
Чаще всего наноинжене́рия (англ. nanoengineering) представляется авторами как научно-практическая деятельность человека по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных объектов или структур, а также объектов или структур, созданных методами нанотехнологий. В настоящее время термин «наноинженерия» широко применяется в научной и популярной литературе в связи со значительной
общностью и специфичностью рассматривающихся в нем различных направлений практической деятельности человека. Наноинженерия поверхностей – это конструирование, изготовление нанообъектов только на рабочей поверхности любого изделия, т.е. формирование на поверхности так называемых полифункциональных наноструктурированных покрытий, позволяющих принципиально улучшать эксплуатационные свойства, надежность и безопасность всего изделия.
Наноинженерия поверхностей объективно является наиболее востребованной в современном машиностроении нанотехнологией, представляя по своей сути наиболее доступный, достаточно простой, универсальный метод получения перспективных наноматериалов. На практике различают следующие типы наноматериалов:
— нанопористые структуры;
— наночастицы;
— нанотрубки и нановолокна;
— нанодисперсии (коллоиды);
— наноструктурированные поверхности и пленки;
— нанокристаллы и нанокластеры.
Основные методы получения наноматериалов представлены на следующем рисунке.
Рис.1. Основные методы получения нанаматериалов
В настоящем докладе речь будет идти о так называемых поверхностных технологиях. Актуальность разработки и широкого внедрения этих технологий связана с тем, что в деталях, узлах и изделиях машиностроения, особенно судового машиностроения, подвергаются старению, например, изнашиваются в основном их поверхности на глубину не более чем на 1-2 мм. Следовательно, заданными свойствами, например, высокой износостойкостью ко всем видам изнашивания должны обладать в первую очередь рабочие поверхности, ограниченной толщины. Вся остальная конструкция должна соответствовать требованиям прочности и усталостной долговечности.
Классификация наноориентированных технологий обработки поверхностей и формирования на них вторичных структур показана ниже на рисунке.
Рис. 2. Классификация наноориентированных технологий обработки поверхности
Таким образом, под наноинженерией поверхностей, как правило, понимаются методы и технологии формирования полифункциональных покрытий поверхностей деталей с заданными или оптимальными прочностными, трибологическими, антикоррозионными и другими эксплуатационными свойствами.
Важнейшим для инженерии поверхностей, несомненно, являются технологии получения функциональных наноматериалов, как правило, это порошковые материалы.
Методы, связанные с созданием на поверхности материалов, особенно металлических, модифицированных слоев, достаточно изучены, отработаны и широко применяются на практике. Многие из таких методов или их усовершенствованных вариантов могут рассматриваться как методы нанотехнологий, так как позволяют создавать наноразмерные и/или наноструктурные слои на поверхности материалов, узлов и деталей, а также композиционные материалы с нанокомпонентами, а в ряде случаев и наноматериалы в виде нано и микроизделий.
Данные методы можно условно подразделить на две большие группы – технологии, основанные на физических процессах и технологии, основанные на химических процессах. Среди всех наноориентированных технологий обработки поверхности на сегодняшний день наиболее перспективными являются ионно-вакуумные технологии нанесения покрытий (т.н. PVD и CVD технологии). Полученные такими способами слои отличаются высокой адгезией, а температурное воздействие на материал основы, как правило, минимальное. Анализ литературных источников, показывает, что размер кристаллитов в пленках, полученных по технологиям вакуумного нанесения, может достигать 1-3 нм.
Наиболее распространенные методы наноинженерии поверхностей представлены ниже.
Рис. 3.Типичная схема установки для нанесения покрытия PVD-методом:
1- материал для покрытия; 2- система перевода материала в паровую фазу; 3- поток испарившегося вещества; 4- подложка; 5- формирующееся покрытие; 6- система транспортировки материала покрытия в паровой фазе к подложке; 7- система фокусировки (и/или сканирования) потока вещества, осаждающегося на подложку; 8- система закрепления подложки и ее контролируемого перемещения; 9- система регулирования температуры нагрева подложки; 10- система управления и контроля технологическими параметрами (температура подложки, скорость перевода материала в паровую фазу, давление в камере, скорость осаждения покрытия, толщина покрытия и др.); 11- вакуумная камера; 12- система создания и поддержания высокого вакуума (система вакуумных задвижек, форвакуумных и высоковакуумных насосов, азотная ловушка и др.); 13- шлюзовая камера и система подачи и смены подложек; 14- смотровые контрольные окна; 15- система охлаждения.
Рис.4. Варианты метода термического испарения:
а) испаритель из металлического листа с защитным покрытием;
б) металлический испаритель в виде лодочки;
в) керамический тигель с внешним нагревательным элементом;
г) испарение лазерным или электронным лучом.
Рис. 5. Основные принципиальные схемы катодного распыления:
а) двухэлектродный метод, б) четырехэлектродный метод, 1- вакуумная камера,
2- держатель подложки (в двухэлектродном методе также является анодом), 3- подложка, 4- зона плазмы тлеющего разряда, 5- мишень (распыляемый материал), 6-основной катод, 7- тепловой катод, 8- стабилизирующий электрод, 9- анод.
Рис. 6. Схема магнетронного распыления:
1- вакуумная камера, 2- держатель подложки (в двухэлектродном методе также является анодом), 3- подложка, 4- зона концентрации плазмы тлеющего разряда, 5- распыляемый материал, 6- катод, 7- анод кольцевой или рамочной формы, 8- магнит, 9- силовые линии магнитного поля.
7. Схема ионно-лучевого распыления:
1- вакуумная камера, 2- держатель подложки, 3- подложка, 4- концентрированный поток ионов, 5- распыляемый материал, 6- держатель мишени, 7- ионно-лучевой источник, 8- магнитная система концентрации плазмы тлеющего разряда, 9- устройство фокусировки ионного луча, 10- зона концентрации плазмы тлеющего разряда, 11- поток частиц осаждающегося на подложку материала.
Рис. 8. Схема метода ионного плакирования:
1- вакуумная камера, 2- держатель подложки — катод, 3- подложка, 4- зона плазмы тлеющего разряда, 5- испаряемый материал, 6- испаритель — анод, 7- лазер и устройства фокусировки и управления лазерным лучом, 8- лазерное излучение, 9- прозрачное для лазерного излучения окно.
Рис. 9. Схема метода ионной имплантации:
1- источники ионов, 2- поток ионов, 3- систему анализа и сепарации ионов,
4- система фокусировки, 5- ускоритель ионов, 6- система стабилизации и сканирования ионного луча, 7- ионный луч, 8- вакуумная камера, 9- модифицируемый материал, 10- держатель модифицируемого материала (образцов).
Кроме отмеченных выше в машиностроении и судовом машиностроении могут найти применение метод ионно-лучевое перемешивания, а также группа так называемых лазерных методов.
Наноструктурное состояние при практической реализации отмеченных методов достигается в тонких поверхностных слоях металлических материалов или изделий, полученных по традиционным технологиям, путем взаимодействия вещества с лазерным излучением высокой плотности. Лазерное легирование или лазерная 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. При этом легирование может преследовать две основные цели:
— создание на поверхности модифицированного слоя с химическим составом и, следовательно, свойствами, отличающимся от основного металла;
— облегчение формирования наноструктурного или аморфного состояния при затвердевании оплавленного поверхностного слоя.
В целом использование технологий формирования тонких пленок, основанной на методах физического или химического осаждения в вакууме, позволяет получать пленочные наноструктуры малой толщины (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 (нанопористых структур). Такие сверхмалые по размерам скопления обладают достаточно выраженными квантовыми свойствами и в научной литературе для них были приняты названия «квантовые точки», «квантовые ямы», «квантовые проволоки» или «нанопроволоки». Однако такие технологии могут быть внедрены в реальное производство не ранее чем через 10 лет.
В настоящее время специалисты в качестве перспективных технологий использования нанопорошков, например, отмечают следующие:
— Технологии нанесения износа-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 и т.д.
На рисунке представлена схема установки холодного газодинамического напыления, разработанная в ЦНИИ КМ «Прометей».
!!! Рис. 10 Схема установки холодного газодинамического напыления.
Основой наноинженерии поверхностей служат нанопорошки или нанокластеры.
Остановимся более подробно на анализе мирового производства нанопорошков, которые на сегодняшний день являются исключительно распространенной нанопродукцией. Наиболее распространенные методы получения нанопорошков представлены на следующем рисунке.
Рис. 11. Методы получения нанопорошков
Для примера на следующих рисунках приведены схемы получения нанопорошков различными методами.
Рис. 12. Получение нанопорошка с использованием сверхскоростного механосинтеза
!!! Рис. 13. Получение нанопорошков методов истирания
Мировое производство нанопорошков распределено неравномерно. Многие страны, такие как Бразилия, Южная Африка, Россия и Австралия, являются крупными производителями сырья, и только в последнее время производство нанопорошков в этих странах приобретает массовый коммерческий характер.
В настоящее время более половины производителей нанопорошков приходится на США. При этом американские производители вырабатывают не менее двух третей всего объема мирового производства нанопорошков. Совместно Европейский Союз и Азия производят большую часть остального объема. Основные производители нанопорошков отражены на диаграмме.
Рис.15. Основные производители нанопорошков
Объемы производства нанопорошков с разбивкой по регионам и по типам представлено на следующей диаграмме.
Рис 16. Объемы производства порошков по регионам
Количество видов порошков, производимых компаниями, с разбивкой по регионам
приведено на следующей диаграмме.
Рис 17. Количество видов порошков по регионам
Основные отрасли, на которые направлено производство нанопорошков, с разбивкой по регионам отражены на следующей диаграмме.
Рис. 18 Основные отрасли, потребляющие нанопорошки по регионам
Современный опыт свидетельствует, что основными потребительскими отраслями нанопорошков являются: электроника и оптика и обрабатывающая промышленность. На эти отрасли приходится более 70% мирового производства порошков. В настоящее время одним из потенциальных потребителей нанопродукции становится судостроение и военного кораблестроение.
Потребление порошков по отраслям можно представить следующей диаграммой.
Рис.19. Объемы потребления нанопорошков по отраслям
Наиболее потребляемыми нанопрошками являются порошки из оксидов металлов, сложных оксидов, а также порошки чистых металлов и смеси.
Рис. 20. Наиболее востребованные нанопорошки
Среди нанопорошков из оксидов металлов наиболее распространены диоксид кремния, диоксид титана и оксид алюминия. На них, как отмечалось выше, приходится более 80% всего производства порошков из оксидов металлов.
Кроме указанных выше в мире производятся нанопорошки из оксидов железа, цинка, церия, циркония, иттрия, меди и магния. В последнее время налажен выпуск нанопорошков из оксидов редких металлов:
1. Оксид неодимия — Nd2O3.
2. Оксид европия — Eu2O3.
3. Оксид диспрозия — Dy2O3.
Особое место в наноиндустрии занимает производство порошков из чистых металлов. Промышленное применение многих из них в настоящее время существенно расширяется. Применение нанопорошков из чистых металлов пока ограничивается тем, что затраты на производство однородных порошков металлов с высокой степенью чистоты и заданной размерностью значительно выше, чем на производство оксидов металлов. По объему производства лидируют пять нанопорошков: нанопорошки порошки железа, алюминия, меди, никеля и титана.
Нанопорошки из драгоценных металлов производятся в мире в ограниченных объемах. Среди них можно отметить:
1. Металлическое серебро — Ag.
2. Металлическое золото — Au.
3. Металлическая платина — PtОтдельное место в производстве нанопорошков отведено кремнию Si.
Несколько слов о применении нанопорошков из смесей и сложных оксидов.
Наиболее распространенными нанопорошками из сложных оксидов являются:
1. Сурьмяно-оловянный оксид— Sb2O3/SnO2.
2. Индие-оловянный оксид—In2O3/SnO2.
3. Нитрид кремния— Si3N4.
4. Титанат бария— BaTi03.
5. Вольфрамово-кобальтовый карбид — WC/Co.
6. Наноалмазы — C.
Основные типы нанопорошков, разработанных и производимых в РФ приведены в следующей таблице.
Таблица 1
Основные типы нанопорошков, разработанных и производимых в РФ
В качестве наиболее технологических приемов получения металлических нанопорошков отечественными специалистами рекомендуются методы электрохимической электрокристаллизации и испарения – конденсации металлов.
Однако выполненные нами исследования свидетельствуют, что наибольшие перспективы наноинженерии поверхностей, особенно применительно к машиностроению, в том числе и судовому машиностроению, можно связывать с ультрадисперсными структурированными порошками, получаемыми из природных активных минералов, которые отличаются максимальными значениями внутренней энергоплотности. Теоретические аспекты технологий использования нанопорошков, полученных из природных минералов, технологии их нанесения стали предметом научного открытия № 323 «Свойство высокоэнергоплотных минеральных веществ изменять параметры триботехнических систем».
Исторически первыми минералами, которые начали широко применяться в целях устранения износа машин, были серпентинитовые породы. Таким образом, природные «зеркала скольжения» пластов горных пород явились прототипом вторичных трибоструктур, формируемых на поверхностях деталей машин. В настоящее время серпентиниты являются наиболее распространёнными, но не самыми эффективными по своим характеристикам, природными материалами, которые уже в ближайшее время найдут широкое применение в машиностроении. В целом в ходе выполненных исследований были изучены: серпентиниты Mg6[Si4O10] (OH)8; шунгиты, хлоридтримолиты, ряд оксидов кремния; ряд Al2O3(с полудрагоценными камнями); жадеит NaAlSi2O6; различные аллотропные фазы углерода; слюды, например, КMg3Al Si3O10(OH)2; циркон Zr[SiO4], бадделеит ZrO2, эвдиалит Na12Ca6Fe3Zr3[Si3O9][Si9O24(OH)3]2, оливин Mg1,8 Fe0,2 [SiO4], ряд форстерита Mg2SiO4, и многие другие комбинированные вещества.
Таблица 2
Минеральный состав серпентинитов некоторых месторождений (объемные доли, %)
| Минералы | Варенское (Литва) | «Печенганикелъ» (Кольский п-ов) | Байрамгулово (Урал) |
| Серпентин | 75–80 | 70 | 75 |
| Магнетит | 15–20 | 7–9 | 20 |
| Хлорит, слюды | 0–5 | 10 | десятые доли |
| Форстерит, диопсид, авгит, амфибол | 0–5 | 5–10 | 5 |
| Гидроталькит, сложные оксиды и карбонаты Mg и Fe | десятые доли | ─ | десятые доли |
| Полевые шпаты | — | 1–2 | — |
| Сульфиды (халькопирит, пирротин, пентландит, пирит) | десятые доли | 1–2 | десятые доли |
Таблица 3
Вещественный состав серпентинитов разных месторождений
Наименование |
Химическая формула | Содержание, объёмной доли, % |
| Серпентин | Mg6[Si4 O10](OH)8 | 60–80 |
| Магнетит | Fe3 04 | 5–20 |
| Хлориты | (Mg, Fe2+ , Fe3+ ) x [AlSi2O16](OH)8 | 0–10 |
| Слюды | AB2-3 [T4 O10](OH,F)2
Где А=K, Na, Ca и др. B=Al, Mg, Fe T=Si, Al |
|
| Форстерит | Mg4 [Si O4] | 0–5 |
| Диопсид | CaMg [Si2 O6] | |
| Авгит | Ca(Mg, Fe, Al)[(Si,Al)2 O6] | |
| Амфиболы | A2-3B5[(Si,Al)4 O11]2 (OH)2
Где А= Mg, Fe2+, Ca или Na. B=Mg, Fe2+, Fe3+ или Al |
|
| Гидроталькит | Mg6 Al2 (OH)16 [CO3]4H2 O | 0–12 |
| Карбонаты | CaCO, CaMg(CO3 )2 и др. | |
| Полевые шпаты, например ортоклаз | K[AlS3 O10 ] | 0–9 |
| Сульфиды, например халькопирит | CuFeS2 | 0–2 |
| Оливин | (Mg,Fe)2 [SiO4] | 0–3 |
| Пироксен | АВ [Si2 O6]
Где А= Li, Na, Ca, Mg или Fe2+, B=Mg, Fe3+ или Al |
|
| Прочие примеси | Асбест, платина, золото редкоземельные элементы и т.д. | 0–5 |
Для формирования вторичных трибоструктур, или структур обеспечивающих изменение отражающих свойств поверхностей, применяются ультрадисперсные порошки из многих активных минералов. С определенной долей условности их можно назвать нанопорошками. Порошки получаются только истиранием, при этом рабочие элементы – истиратели должны быть выполнены из строго определенных конструкционных материалов: керамических или металлокерамических. Применение металлических истирателей, не допускается. Рекомендуемая размерность порошка зависит от целого ряда факторов, в том числе и от свойств самих природных минералов. Чем выше внутренняя энергоплотность минерала, тем большая размерность порошка допускается. При этом максимальная размерность порошка, как правило, не должна превышать 1-5 мкм.
В основу создания различных технологий формирования вторичных трибоструктур на базе нанопорошков из природных минералов положены общие и частные принципы структурной организации и поведения природных минеральных тел.
Общие принципы структурной организации геологических тел наиболее емко были сформулированы профессором Н.З. Евзиковой. С её точки зрения в организации всего минерального мира реализуется следующая совокупность общих принципов:
1.Изначальная поляризованность структурных единиц – геодиполей.
2.Плотнейшая упакованность геодиполей.
3.Функциональная специализация элементов геологического тела и прилегающих к ним участков структуры.
4.Зонально-секторальное строение.
5.Направленность информационных и энергетических потоков.6.Естественное ограничение объема геологических тел.
Совокупность рассмотренных выше общих принципов обеспечивает присутствие в новой (геодипольной), например, искусственно созданной модели геологических тел, которые и реализовали вторичную трибострутуру следующих качеств:
Внутренних генераторов разнообразных процессов;
— Упорядочности строения;
— Различия ответной реакции тела на внешнее воздействие в зависимости от точки приложения последнего;
— Пространственно — возрастной специфики продуктов жизнедеятельности;
— Целостности тела как единого организма;
— Автономного поведения и конечности существования.
Более того, рассматривая минералы и минеральные тела, как аналоги живых организмов, можно из всего многообразия принципов структурной организации минеральных тел выделила следующие частные:
Способность определенным образом устроенных минеральных тел извлекать энергию из окружающей среды, накапливать, аккумулировать, перерабатывать и рассылать накопленную и переработанную энергию по нужным направлениям, что позволяет им осуществлять реакции с уменьшением энтропии, т.е. противостоять «своей тепловой смерти»;
Способность минеральных тел многократно повторять в своей иерархической последовательности тройственный (исходное вещество, доминат, рецессив) образ изначального предка, который в конечном случае служит генетической основой их типоморфизма;
Присоединение к минеральному телу новых конституционно родственных геоблоков, т.е. увеличение объема образующейся системы способствует развитию на границе такой системы кристаллизационного давления, служащего фактором завоевания системы 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 её на множество сколь угодно алых 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.
Практически все, отмеченные выше принципы проявлялись и были зафиксированы в ходе обширных экспериментальных исследований сформированных искусственным образом вторичных трибоструктур из активных минералов.
На практике возможны различные технологии нанесения минеральных покрытий или технологии формирования вторичных трибоструктур. Технологии могут различаться как по варианту нанесения покрытия, так и по применяемому ультрадисперсному порошку из природного минерала. Для каждой технологии характерна определенная продолжительность или период формирования вторичных трибоструктур.
Внести нанопорошок из активного минерала в зону контактного взаимодействия возможно в виде добавки к смазочной или охлаждающей среде. При этом необходимо соблюдать строго определенную концентрацию порошка. Как правило, оптимальная концентрация порошка не превышает 1% от объема рабочей, смазывающей или охлаждающей жидкости. В результате естественного процесса работы механизма на его рабочих поверхностях (смазываемых или охлаждаемых) формируются вторичные структуры, отличающиеся повышенной стойкостью ко всем видам изнашивания. Кроме этого сформированные вторичные структуры способствуют снижению остаточных напряжений, устранению отдельных дефектов структуры материала и т.д.
На практике допустимо введение порошка и в структуру конструкционных материалов, из которых выполнены узлы, детали и механизмы. Это в равной степени касается как металлических, в том числе и порошковых, так и неметаллических полимерных антифрикционных материалов или иных материалов. При таком варианте необходимо соблюдать ряд условий, важнейшим из которых является предельная температура формирования детали или материала не превышающая 1400-1800оС.
Наносить минерал на поверхность можно также прямым механическим натиранием, или методом механического вдавливания роликом, или с помощью ультразвуковой обработки, или комбинацией механического натирания с последующей обработкой ультразвуком. Все эти технологии прошли проверку и уже сегодня могут быть рекомендованы для широкого внедрения.
Можно ограничиться либо одним типом минерала, либо в зависимости от условий эксплуатации можно наносить комбинированные слои из различных минералов в зависимости от принципа функциональной специализации конкретного природного материала. Наиболее простой и доступной технологией нанесения на поверхности минеральных покрытий является нанесение ультрадисперсного порошка серпентинита методом механического вдавливания или натирания с использование фетра. Для тяжелонагруженных узлов трения различных изделий, работающих в условиях воздействия исключительно агрессивных сред, целесообразно наносить на поверхность нанопорошок кварца методом механического вдавливания роликом и нанопорошок серпентинита методом механического вдавливания фетром. Для всех этих операций на производствах использовался один типовой токарно-винторезный станок 1М63. На некоторые изделия покрытия наносились из смеси порошков кварц*серпентинит с индустриальным маслом И-20 путем механического вдавливанием этой смеси при помощи шлифовального круга из фетра.
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». Испытывались модифицированные компрессорные установки и др. Модификации подвергались узлы и детали более 40 моделей различных станков механической обработки, различный режущий инструмент.
Наибольших масштабов внедрение активных минералов отмечается на Калужском турбинном заводе.
В связи с положительными результатами объёмных испытаний на КТЗ по использованию мелкодисперсных минералов и учитывая исключительную технологичность и рациональность технологического процесса формирования вторичных трибоструктур на втулках выдвижных устройств СВ-9 был заменен трудоемкий процесс нанесения бронзо-второпластового 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.
Кроме этого внедрение на Калужском турбинном заводе минеральных покрытий позволило отказаться от ряда сложных, энергозатратных и экологически вредных производств. Например, продолжительное время на ОАО КТЗ для придания противозадирных свойств на валах насосов использовалась технология гальванического хромирования, которая защищала от задиров только вал, на посадочных поверхностях дисков задирные явления продолжали оставаться. На защитных втулках валов («рубашках») для повышения износостойкости использовалась 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 чертежа. Внедрение технологии нанесения комбинированного минерального покрытия позволило отказаться от традиционных для производства 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, не зависимо от материала, из которого изготовлены его детали.
Коротко отразим некоторые технологические аспекты разработанных в настоящее время технологий применения активных минералов.
В последнее время разработаны и внедрены целый ряд промышленных технологий, связанных с формированием вторичных полифункциональных покрытий на базе использования ультрадисперсных порошков из природных активных минералов. Наибольшее распространение получили так называемые технологии получения вторичных антифрикционных покрытий.
Единую основу этих технологий составляют самоорганизующиеся процессы при фрикционном взаимодействии с участием тонкодисперсных порошков из природных минералов. Техническим результатом разработанных технологий является повышение износостойкости, снижение сопротивления трения и восстановление узлов трения двигателей, механизмов и устройств, например, 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 данной технологии является возможность управления триботехническими процессами посредством инициирования самоорганизующихся процессов трения, основанных «на памяти наследственности» материала узла трения под воздействием тонкодисперсного природного минерала – серпентинита. При этом серпентинит имеет следующий фазовый состав, массовое содержание, %: серпентин 87,4-88,0, железо в изоморфной примеси 8,2-8,6, алюминий в изоморфной примеси 2,2-2,4, кремнезем 0,6-1,0, доломит 0,6-1,0.
Широкое распространение в области трибологии, в частности для формирования покрытия, содержащего твердосмазочную композицию, на поверхностях узлов трения, получила технология, использующая, в массовых долях, %: кварц 15-20, гетит 5-10, брусит 3-8, поверхностно-активное вещество (ПАВ) 2-7, лизардит — остальное. Для формирования покрытия на трущихся поверхностях на первом этапе измельчают исходную смесь минералов, содержащую кварц, гетит, брусит, лизардит, с добавлением ПАВ, и получают композицию указанного выше состава с дисперсностью 1-40 мкм. Затем проводят механоактивацию ее со связующим и, далее, размещают полученный состав между трущимися поверхностями при содержании, массовых долях, %: твердосмазочная композиция 0,1-2,0, связующее — остальное, с последующей его приработкой.
Известен в современном машиностроении также способ повышения износостойкости механизмов машин и оборудования при эксплуатации, который заключается в размещении между трущимися поверхностями состава из органического связующего, например масла и абразивоподобного вещества, с последующим формированием износостойкой пленки. В качестве абразивоподобного вещества используют механоактивированный мелкодисперсный 0,001 — 1 мкм порошок метаморфической ультраосновной горной породы, например, змеевика, в количестве 5 — 50 массовых долей %, имеющий в своем составе окислы магния, кальция, кремния, алюминия, воду и другие примеси. При этом порошок из горной породы используется после удаления излишка упомянутого органического связующего, а также после присоединения к составу дополнительного связующего, в качестве которого используют, например, обладающую высокими антифрикционными и пленкообразующими характеристиками металлоорганическую композицию на основе химических растворов металлов, например олова, меди, алюминия, цинка.
Особое место в технологиях применения активных минералов отводится двигателям внутреннего сгорания, как наиболее массовым источникам получения энергии. Например, был разработан достаточно универсальный способ формирования поверхностных слоев деталей двигателей внутреннего сгорания с заранее заданными триботехническими свойствами. Способ обеспечения минимальных механических потерь в поршневых машинах — двигателях внутреннего сгорания, заключается в том, что поверхности деталей, составляющих основные пары трения в двигателях, обрабатывают по следующему общему технологическому процессу: поверхность детали обрабатывают контактной ультразвуковой установкой с мощностью не менее 1 кВт при режимах для чистового точения материала основы и с силой прижатия наконечника к обрабатываемой поверхности 20-80 Н и амплитудой колебаний 20-40 мкм; на обработанной таким образом поверхности детали формируют слой покрытия из природных минеральных материалов с толщиной не менее 0,020 мкм. Затем покрытие из природных минеральных материалов подвергают также обработке ультразвуковой установкой при усилии прижатия наконечника 0-50 Н. При этом детали, составляющие пары трения, покрывают одинаковыми минеральными материалами, а при формировании минерального покрытия на поверхности деталей подвод внешнего тепла не производят.
Ряд разработанных перспективных технологий с использованием ультрадисперсных порошков относится к области решения прикладных проблем физико-химической механики и может быть использовано в энергоресурсосберегающих технологиях в судостроении, в химической, металлургической, горнодобывающей отраслях. Способ геоэнергетической интенсификации массообменных процессов осуществляют с использованием измельченного кварцсодержащего геосырья древних горных пород или их смесей, который вводится специальным образом в дисперсные среды. При этом в качестве интенсифицируемой дисперсной среды используют керамику, цементосодержащие смеси, жидкие и твердые топлива, смазки, масла, пластполимерные композиции.
Заслуживает внимания и разработанный способ формирования износостойкого покрытия на поверхности деталей из металлов и сплавов, который, также как и предыдущие, включает нанесение на поверхность слоя, содержащего порошок минерального материала дисперсностью 0,1-50 мкм, смешанного с клеем, при следующем соотношении, массовых долей, %: порошок минерального материала 75-90; клей — остальное. Затем после формирования слоя, его поверхность обрабатывают давлением путем обкатки роликом и/или воздействием ультразвуком. При этом рабочую поверхность инструмента перемещают относительно детали при вращательном или поступательном движении детали.
Однако наибольшее распространение получила технология, базирующая на введении в качестве добавки порошков на основе природных минералов к смазочному маслу двигателей внутреннего сгорания, механизмов и устройств. Состав такой вводимой смеси, например, содержит, массовых долей, %: 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. Технический результат — снижение износа узлов трения на 50-70%, потерь на трение в 1,5-2 раза. Данный технический результат достигается тем, что геомодификатор с пониженным содержанием (до 10% по сравнению с исходным порошком) крупных твердых частиц магнетита, попадая в зону трения, структурно модифицирует поверхность (качественно преобразовывает) и создает защитный квазисжиженный слой. Сниженное количество твердых крупных частиц магнетита в концентрированной взвеси получается за счет ее диспергирования, которое приводит к разделению серпентина, магнетита и пироксена, и осаждения части порошка, причем его крупные (осевшие) частички в основном и составляют магнетит. Предлагаемый состав — концентрированная взвесь геомодификатора трения (ГМТ) предназначен для повышения износостойкости узлов трения при эксплуатации и добавляется в штатное смазочное масло двигателей внутреннего сгорания, механизмов и устройств в количестве 3-5 % от массы смазочного масла.
Можно рекомендовать ещё две технологии, которые в равной степени применимы при обработке узлов трения нового оборудования, с целью повышения ресурса, а также при проведении ремонтно-восстановительных работ на изношенном оборудовании без его разборки. Первая технология предусматривает размещение между трущимися поверхностями размельченную минеральную композицию, формирующую антифрикционное покрытие, содержащее серпентин. Массивный образец природного минерала серпентинита массой от 0,2 до 1 кг сначала раскалывают на фрагменты массой 20-50 г и разбраковывают по цвету и блеску с отбором фрагментов зеленого, желтого и серого цветов перламутрового и матового блеска, характерных для серпентина. Для каждого из отобранных фрагментов проводят измерение показателя твердости по минералогической шкале Мооса и отбраковывают образцы с показателем твердости более 4 единиц по данной шкале. Далее методами рентгеноспектрального и химического анализов определяют в отобранных образцах содержание химических элементов Mg, Si, Fe, Al, Ni, Na, Ca, К с отбором образцов, наиболее близких к серпентину по составу и содержанию химических элементов. Затем отобранные образцы предварительно измельчают в дисковом дезинтеграторе до размеров фракции 50-100 мкм, просеивают на сите с размером ячейки 50 мкм и удаляют остатки на сите в виде волокнистых частиц хризотил — асбеста. Из отсеянного материала на магнитном сепараторе отбраковывают фракции ферромагнитного магнетита и производят окончательный помол отобранного порошка до дисперсности 0,1-10 мкм. В результате обеспечиваются низкий коэффициент трения и высокая износостойкость получаемого антифрикционного покрытия.
Вторая технология относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для упрочнения поверхностей деталей, в частности в способах формирования антифрикционных покрытий на металлических поверхностях пар трения. Способ заключается в том, что на поверхность пары трения после ее пластического деформирования ультразвуком наносят слой из высокопрочных композиционных материалов электроискровым методом или плазменным напылением, затем нанесенный слой подвергают пластическому деформированию ультразвуком, после чего наносят слой из высокодисперсных природных минералов, который также подвергают пластическому деформированию ультразвуком.
Таким образом, выполненные исследования позволяют утвердительно заявить о перспективах наноинженерии поверхностей объектов машиностроения. Например, формирование вторичных структур из активных природных минералов позволяют повысить ресурс тяжелонагруженных узлов и агрегатов в 1.5-2 раза. Более того, подобные технологии позволяют восстанавливать изношенные узлы и детали в процессе использования их по прямому назначению.
Be the first to comment on "Наноинженерия поверхностей изделий машиностроения"