Нанотехнологии восстановления и упрочнения

Наноматериалы для восстановления и упрочнения деталей

Один из прорывных направлений повышения надежности сель­хозтехники является использование наноматериалов. Основные типы наноматериалов представлены на рис.

Рис. Основные типы наноматериалов

По геометрическим параметрам наноматериалы делят на три группы:

• трехмерные (объемные), у которых все три размера (длина, ширина и толщина) находятся в наноинтервале;

• двумерные, у которых поперечные размеры находятся в наноин­тервале, а длина может быть сколь угодно велика;

• одномерные, у которых только один размер (толщина) находится в наноинтервале, а два других (длина и ширина) могут быть сколь угодно велики.

К первой группе относятся:

• наночастицы, имеющие форму сферы многогранника, чешуек, стержней, колец и различных их комбинаций, их получают способом искусственного синтеза, используя физические, химические и биологические методы, они наиболее просты и производительны - методы распыления струи расплава жидкостью или газом, испарения - конденсации или вакуум-сублимационной технологии;

• нанопорошки, получаемые методом механического измельчения твердых тел в мельницах.

Некоторые особенности свойств наночастиц и нанопорошков:

• большая (до 10³ м²/г) удельная площадь поверхности, что пре­допределяет их высокую химическую и каталитическую активность, в связи с этим нанопорошки используют не только как сырье для производства наноструктурированных объемных материалов, но и как высокоэффективные катализаторы и реагенты в химических реакциях;

• малые размеры наночастиц, приводящие к изменению условий для их фазовых и структурных превращений, намагничивания и размагничивания, явлений переноса теплоты, заряда, пропускания и отражения света и др., при этом изменяются все фундаментальные характеристики вещества: параметры решетки, электронный спектр, выход электронов, температура плавления и т.д.; так, уменьшение размеров наночастиц в области < 10 нм приводит к падению температуры плавления на десятки процентов.

Ко второй группе относятся:

• углеродные нанотрубки, свойствами которых можно управлять, из­меняя скрученность решетки относительно продольной оси;

• нанотрубки с регулируемым внутренним диаметром, представляют собой основу идеальных молекулярных сит высокой селективности и газопроницаемости, контейнеров для хранения газообразного топлива, катализаторов и т. п.;

• нанотрубки как сенсоры, атомарно острые иголки, элементы экранов дисплеев сверхвысокого разрешения и др.;

• нитевидные кристаллы углеродных, борных стеклянных, кремне­земных и карбидокремниевых волокон, которые применяются в качестве конструкционных, теплоизолирующих, экранирующих от различных воздействий и фрикционных материалов.

К третьей группе относятся тонкие жидкие пленки, адсорбционные моно- и полислои, а также твердые покрытия.

Основные методы создания тонкопленочных наносистем (подложка - тонкая пленка) базируются на физическом и химическом осаждении; поверхность приобретает антикоррозионные, антиадгезионные, гидрофобные, противоизносные и другие свойства.

При защите поверхностей от коррозии и износа большой интерес представляют нанопленки. К ним относятся поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые можно разделить на два типа: органические соединения, обладающие способностью адсорбироваться на поверхности раздела фаз, снижая межфазное натяжение, и фторорганические ПАВ.

В России ультрадисперсные (нано) порошки (НП) были специально разработаны для промышленного производства и успешно использованы еще в 50-е годы XX века.

России разработаны и используются более 20 способов получения НП. Их можно разделить на физические и химические. К первым относятся механическое измельчение, распыление, конденсация из газовой фазы или из плазмы, электродуговое измельчение, лазерное облучение, СВЧ-обработка, электровзрыв (проволоки) и др., ко вторым - разложение солей, водородное восстановление металлов из оксидов и др.

Упрочняющие покрытия

Важным направлением использования нанотехнологий и нано­материалов при создании новой техники является увеличение ресурса деталей. С помощью специальных нанопокрытий и эмульсий может быть увеличен ресурс деталей и агрегатов. Многие детали, изготовленные из обычных конструкционных материалов, не могут обеспечивать планируемый ресурс работы современных устройств, машин и механизмов. Поэтому необходимы современные технологии модификации поверхности, среди них - нанесение различных типов функциональных и защитных покрытий из неорганических материалов: металлов, сплавов, химических соединений (карбиды, нитриды, оксиды) и углерода. Острота этого вопроса связана и с тем, что поиск и создание новых конструкционных материалов в современных условиях требуют больших капитальных вложений, а процесс этот растягивается на пять-десять лет, что не отвечает динамике научно-технического развития и созданию техники следующего поколения.

В промышленности используются различные материалы для покрытий и способы их нанесения. В качестве материалов покрытий, как правило, применяют многокомпонентные материалы с большим набором легирующих элементов, с помощью которых конструкционному материалу детали можно придать новые свойства. Особенно это относится к изделиям сложной техники, работающим в экстремальных условиях (высокая температура, агрессивные среды) либо в форсированных режимах: форсированные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинные двигатели (ГТД), металлообра­батывающий инструмент для обработки деталей и др. Без применения специальных покрытий с определенным составом и структурой (многослойные, наноструктурированные) не могут работать сопла, детали поршневой группы ДВС, режущий инструмент и др.

Задача повышения ресурса деталей машин, оборудования и ин­струмента решается в мире за счет нанесения на них многофункциональных покрытий, в том числе нанокомпозитных. Это уже апробировано и внедрено в производство ведущих предприятий развитых стран. По оценке Европейского союза 1 евро, потраченный на упрочняющее покрытие только режущего инструмента, дает экономию производственных издержек в 5 евро. Такие покрытия обладают свойствами, необходимыми для работы деталей и инструмента с высокой твердостью и низким коэффициентом трения. Этот комплекс свойств обеспечивается за счет особой нанокомпозитной структуры покрытий, представляющей собой нанокристаллитные керамические зерна, распределенные в матрице. Например, нанокомпозитные технологии, разработанные МЭИ, позволяют увеличить эрозионно-коррозионную стойкость штоков и других элементов регулирующих стопорных клапанов обору­дования ТЭК в 4-6 раз. В Институте физики твердого тела РАН (г. Черноголовка Московской области) разработаны технологии нанесения нанокерамических защитных покрытий для различных узлов трения: уплотнений, подшипников скольжения. НПФ «Элан-Практик» (г. Дзержинск Нижегородской области) разработала ряд технологий и установок магнетронного нанесения нанокомпозитных покрытий. Покрытия наносят в вакууме, на автоматизированных установках, которые обеспечивают стабильную повторяемость высоких свойств покрытий.

Ведущие производители вакуумных установок в мире используют два способа нанесения нанокомпозитных покрытий: вакуумно-дутовой и магнетронный. При первом способе покрытие формируется из высокоионизированной плазмы за счет энергии разряда электрической дуги на металлическом катоде. В магнетронном способе ионизированная плазма формируется в результате бомбардировки металлической мишени ионами аргона. Покрытие, осаждаемое на изделии, строится исключительно на атомарном уровне, без каких-либо включений микрокапель. Преимущества магнетронного метода нанесения нанокомпозитных покрытий наиболее ярко проявились в последние годы при использовании дуальных магнетронных распылительных систем. Это системы, состоящие из двух одинаковых магнетронов, устанавливаемых рядом под некоторым углом друг к другу. Магнетроны оснащаются мишенями, выполненными из различных материалов, что позволяет формировать сфокусированные на изделии потоки атомов и ионов тех металлов, из которых строится нанокомпозитное покрытие При подаче на дуальный магнетрон импульсного двуполярного напряжения частотой 20-40 кГц магнетроны системы начинают работать в особом режиме. В одну половину периода один магнетрон работает катодом, а другой анодом, в другую половину периода - наоборот. Такой режим работы магнетронов позволяет получить высокую степень ионизации плазмы и полностью исключить генерацию микрочастиц, которая возможна в обычном магнетронном разряде. В резуль­тате формируется совершенная нанокомпозитная структура покрытия с высокой гладкостью поверхности, которая обладает низким коэффициентом трения и обеспечивает высокоэффективную защиту как от износа, так и от коррозии при повышенных температурах. Ведущим производителем импульсных блоков питания магнетронов (включая специализированные блоки асимметричного питания) в России является фирма «Плазматех» (Москва). На их основе НПФ «Элан-Практик» выпускает вакуумные установки, которые позволяют наносить разнообразные упрочняющие покрытия.

Для нанесения нанопорошков применяют также детонационный метод. Такая технология разработана в Институте машиноведения им. А. А. Благоправова РАН для повышения ресурса подшипников скольжения погружных центробежных насосов. Для напыления покрытий используют детонационную пушку АДУ «Обь». Порошок для напыления представляет собой гранулы 20-60 мкм, размер зерна в которых составляет 17 нм. В процессе детонационного напыления получены наноструктурированные покрытия с содержанием 62% монокарбида. Испытания таких покрытий на трение и износ в воде показали, что они обладают пониженным коэффициентом трения, высокой нагрузкой заедания по сравнению с обычным покрытием из керамического порошка. Подшипники с износостойким покрытием проходят опытную эксплуатацию в ОАО «Сургутнефтегаз».

Технологический процесс нанесения наноструктурированного покрытия методом фрикционного покрытия (ФП) состоит в следующем. Материал покрытия (МП) в виде прутка, ленты и т.п. с опре­деленным усилием прижимается к гибкому инструменту - вращающейся металлической щетке (ВМЩ). В зоне контакта МП разогревается до высокой температуры. Частички МП схватываются с концами проволочек ВМЩ и переносятся на обрабатываемую поверхность. При этом одновременно происходят зачистка поверхности изделия, ее нагрев и совместная пластическая деформация поверхностного слоя и частичек МП, что способствует прочному сцеплению их с основой. В качестве МП могут использоваться различные металлы и сплавы или специально созданные композиты. Это дает возможность формировать поверхностные слои с наноструктурой и принципиально новым комплексом свойств. Сопоставление его с традиционными методами защиты, упрочнения и модификации поверхности показывает, что в определенных условиях метод ФП обладает рядом преимуществ: малые металло- и энергоемкость, отсутствие сложных и вредных для обслуживающего персонала операций предварительной подготовки поверхности, высокие коэффициент полезного действия и производительность процесса, его экологическая чистота. В основе технологии ФП лежит перевод рабочих поверхностей в наноструктурное состояние путем диспергирования поверхностных слоев в условиях ударно-фрикционного взаимодействия ВМЩ с обрабатываемой поверхностью, при этом ВМЩ вырывает частицы из поверхности материала-донора и переносит их на поверхность детали. Процесс измельчения поверхностных сло­ев протекает аналогично получению нанопорошков в аттрикторах с тем отличием, что при фрикционном проскальзывании частицы по поверхности происходят их схватывание и образование нанострук-турного покрытия, обладающего повышенными функциональными характеристиками, превышающими в 14-16 раз аналогичные характеристики покрытий, полученных другими способами. Детальные исследования структуры и свойств нано-структурированных покрытий были проведены для алюминиевых покрытий, нанесенных на стальную основу.

В последнее время повышенное внимание уделяется наноалмазным композиционным покрытиям. Введение наноалмазов в электролиты позволяет получить покрытия с низким коэффициентом трения, высокой теплопроводностью и повышенной износостойкостью. Наносятся на любые углеродистые, инструментальные, штамповые и конструкционные стали, чугун, алюминий. Наиболее эффективны наноалмазные композиционные покрытия узлов и деталей, подверженных интенсивному износу (штоки, шестерни, узлы трения, подшипники и др.), узлов и деталей машин (цилиндры, детали поршневой группы и т.д.), формообразующего инструмента (пресс-формы, штампы, матрицы, фильеры, калибраторы, пуансоны), работающего с металлами, стеклом, пластиком, абразивными материалами, металло- и деревообрабатывающего инструмента (фрезы, сверла, метчики, зенкера, развертки, резцы и др.).

Перспективно направление восстановления и упрочнения деталей гальванокомпозиционными покрытиями. Для этого в электролиты вводят нанопорошки, в том числе керамические. Закономерным следствием улучшения структуры электроосаждаемых композиционных материалов является улучшение их свойств: повышение твердости, сопротивления износу и коррозии. Микротвердость композиционных материалов с нанокомпонентами на основе никеля и хрома в 1,4-1,9 раза выше, чем чистых металлов, и в 1,1-1,2 раза, чем с композиционными материалами с микропорошками, причем во всех случаях микротвердость повышается с увеличением содержания частиц в композиционном материале.

ФГОУ «ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова» разработан способ получения нанокомпозиционных гальванических покрытий на основе хрома. Предлагаемый способ подразумевает получение композиционных гальванических покрытий на основе хрома с использованием наноди-сперсных порошков с размерами 10-30 нм. Для получения таких покрытий возможно применение различных нанодисперсных материалов, в том числе композиционных (Cu-Al203, Cu-BN, Cu-MoS2, Cu-Zn02). Предлагаемый способ по сравнению с существующим галь­ваническим хромированием позволяет улучшить основные физико-механические свойства получаемых покрытий. Так, композиционное гальваническое покрытие на основе хрома, полученное с применением нанодисперсного порошка оксида алюминия, по отношению к стандартному покрытию хрома обладает микротвердостью выше в среднем в 1,4 раза, износостойкостью - в 2,2, коррозионной стойкостью - в 1,8 раза. Улучшение физико-механических свойств гальванического покрытия связано с изменением его структуры под воздействием нанодисперсных частиц. Все это позволяет увеличить ресурс автотракторных деталей машин. Способ получения композиционных гальванических покрытий на основе хрома с использованием нанодисперсного порошка оксида алюминия был применен для восстановления и упрочнения плунжерных пар топливного насоса высокого давления. Стендовые и эксплуатационные испытания, а также расчеты показали, что ресурс плунжерных пар, восстановленных и упрочненных с применением нанокомпозиционного хромирования, по сравнению с плунжерными парами, восстановленными стандартным гальваническим хромированием, в 1,8 раза выше.

Дата добавления: 2014-01-07