История развития анотехнологии

В настоящее  время на передовых предприятиях машиностроительного комплекса  Воронежа реализуются восемь основных технологий на наноуровне, шесть из которых непосредственно для  машиностроения, в том числе [11]:

• электроэрозионная наноразмерная обработка профилированным и непрофилированным инструментом на электроискровых станках с программным управление
• электрохимическая отделочная и размерная обработка рабочих поверхностей нагруженных деталей для регулирования микротопографии поверхности на наноуровне;
• ионно­плазменное упрочнение инструмента, штампов, деталей машин с нанесением алмазоподобного покрытия толщиной до 2 мкм (без изменения шероховатости поверхности, при нагреве изделия менее 100°С), обеспечивающее повышение работоспособности изделий на порядок;
• модификация поверхности за счет скоростных химико термических взаимодействий плазменных струй с поверхностью металла с целью повышения износо и коррозионной стойкости и твердости низкоуглеродистых легированных сталей;
• закалка поверхности на глубину до 1,5 2 мм (с оплавлением или без оплавления) с возможностью регулирования параметров поверхностного слоя;
• ионно­плазменное осаждение: благодаря тому, что в его основу заложен универсальный принцип ионного испарения, установка позволяет получать тонкопленочные покрытия (до [мкм] из широкого спектра материалов: практически любого состава с заданной структурой – нанокристаллической, аморфной, кристаллической, композитной.

Таблица 1

Классификация нанотехнологий для машиностроения[11]

Виды технологий	Физический процесс
Компактирование порошков	Газофазное  осуждение и компактирование, прессование  и спекание, ударное нагружение (взрыв), самораспространяющийся высокотемпературный  синтез (СВС), интенсивная пластическая деформация (ИПД).
ИПД сдвига в  условиях высоких гидростатических давлений	Равноканальное  угловое прессование (РКУП), ИПДК, свободная  ковка, ротационная вытяжка, гидроштамповка, винтовая гидровая экструзия, стабилизирующая  термообработка (СТО).
СТО на этапе  эксплуатации	Синтез когерентных  нанофаз в зоны структурных концентратов напряжения (ЗКН)
Термоциклическая  обработка	ТЦСУ, g®a®g - термо-перекристаллизация при медленном нагреве

 

Продолжение табл. 1

Тонкие пленки и модифицирование поверхности	Химическое (CDV) и физическое (PVD) осаждение из газовой фазы. Плазменная и ионно-пучковая эпитаксия.
Нанофазное  упрочнение полимерных композиционных материалов(ПКМ)	Диспергирование нанонаполнителя в полимере

 

Базовые установки  и технологии нанесения тонкопленочных (от 10 нм до 50 мкм) наноструктурированных 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 наноматериалов может быть изготовлена различная  уникальная продукция: изделия авиационнокосмической  техники 5го поколения, жидкие и твердые  смазки для пар трения, суперэффективные химические аккумуляторы для синтеза новых веществ и др.

В МИСиС разработан процесс получения покрытий на поверхности  материала рабочих поверхностей электрода, находящегося в электролите, на поверхности которого при пропускании  электрического тока загораются перемещающиеся микродуговые разряды, температура в которых достигает 7000^оС. Рост покрытия происходит вследствие высокотемпературного экзотермического окисления. Данная технология микроплазменного оксидирования дает возможность получения покрытий, характеризующихся высокими твердостью (до 1950 HV), износостойкостью, защитно­коррозионными свойствами и адгезией к металлической основе.

 

Перспективы развития нанотехнологии.

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. Так же 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 многофункциональных 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.

Так в разделе  «Машиностроение и металлургия» постоянно действующей выставки «Нанотехнологии и наноматериалы» МИСиС (Москва) представлено около 20 разработок практического применения нанопродукции для машиностроения на уровне опытных промышленных образцов и готовых технологий, в том числе: прецизионный жаропрочный медный сплав с многослойными фуллероидными наноструктурами «Астрален» для Московской монорельсовой дороги, резцовые вставки из поликристаллических алмазов и нитрида бора, технология микроплазменного оксидирования для нанесения оксидно­керамического нанокристаллического покрытия и др. Работы по разработке и внедрению нанотехнологий и наноматериалов ведутся непосредственно на машиностроительных предприятиях в содружестве с институтами.

Повышение свойств, например, нанометалла, при использовании  взамен аналога позволяет [10]:

1. Снизить расход  металла за счет облегчения  мас­сы изделий в связи с уникальными физико-механическими 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 наноматериалов 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% .

Для известных  автомобилестроительных фирм разработаны  или разрабатываются ниже приведенные  полимерные нанокомпозиты. Они предназначенны для ненагруженных элементов и деталей кузова и подкапотного пространства автомобиля и двигателя, внешней облицовки (молдинги, бамперы, обвесы, спойлеры и др.), внутренних элементов (панели приборов, перегородки, усиливающие элементы кресел, коврики, шумо, пыле, грязезащитные элементы и др.), трубок и быстроразъемных систем топливоподачи, трубок, дефлекторов и направляющих кожухов системы охлаждения двигателя и кондиционирования салона, трубок подвода и отвода масла, щеток стеклоочистителя, шин и др. [12]:

• силикатные нанокомпозиты на основе нейлона6 (фирмы Toyota и Mitsubisi и фирма UBE (США));
• нанокомпозиты на основе термопластичных олефинов (корпорация Volvo, General Motors);
• каучуковые нанокомпозиты;
• биоволокнистые нанокомпозиты;
• биопенопласты;
• углерод­полимерные нанокомпозиты с использованием нанотрубок;
• нанокрасители, отталкивающие грязь с поверхности облицовки, самоочищающие и противообледенительные составы, а также многофункциональные наноуглепластики с плотностью 400 кг/м³, позволяющие изменять первоначальный цвет окраски по желанию потребителя.

Кроме того непосредственно  в машиностроении уже используются технологии и оборудование для изготовления деталей машин с нанометровой точностью и в этом направлении  продолжаются дальнейшие исследования: электроискровая и электрохимическая обработка, фрезерование, шлифование, полирование, доводка и др.

 

Экономическая эффективность.

Эффект от использования  наноматериалов выражается в экономии средств на транспортировку, сокращении энергозатрат, ослаблении нагрузки на окружающую среду, повышении эксплуатационных свойств. Несмотря на ожидаемое развитие производства изделий с их использованием, до сих пор нет обобщающих работ по оценке экономической эффективности этого направления науки и техники. В работе [14] впервые предпринята попытка восполнить этот пробел. Сложность ее заключается в том, что до сих пор, как упоминалось ранее, идут в основном научные проработки на лабораторном уровне. Существует множество вариантов получения необходимых свойств. Поэтому пришлось выбрать определенные наиболее вероятные цепочки техники и технологии получения и использования наноматериалов и на основе аналогий определить затраты на производство.

Оценка экономической  эффективности использования наноматериалов проводилась путем сопоставления их оценочной стоимости со стоимостью заменяемого металла (сплава) с учетом оценки возможного изменения его расхода и эксплуатационных показателей изделий. Ориентировочная оценка эффективности использования наноматериалов представлена в табл. 2.

Таблица 2

Эффективность использования наноматериалов

Область использования	Технический эффект	Эффективность в расчете на изделие  или на 1 т. наноматериалов из аморфного  состояния
Технология получения наноматериалов методом кристаллизации
Нанокристаллическая аморфная лента для высококачественных реакторов мощностью 30кВА, частотой 5000 Гц	Эффект  по сравнению: а) с трансформаторной сталью; б) с аморфной лентой. Снижение массы  металла в изделии: а) в 3,3 раза;б) на 13 % Снижение потерь холостого хода: а) в 2,8 раза;б) на 20% Снижение стоимости  изделия: а)в 2,7 раза; б) на 6 %	В расчете  на изделие: - 11,3 тыс.руб.  при замене трансформаторной  стали; - 420 руб. при  замене аморфной ленты В расчете  на 1 т. наноматериалов: - 3,7 млн.руб. при замене трансформаторной стали; - 140 тыс.руб.  при замене аморфной ленты

 

Продолжение табл.2

Нанокристаллическая аморфная лента для бортовых баллонов питателей водородных автомобильных  двигателей	Снижение затрат по сравнению с интерметаллидами TiMn, TiFe; увеличение единовременного пробега транспортного средства (до смены баллона) в 2,0 -2,5 раза	690 тыс.руб./т  наносплава взамен TiFe; 500 тыс.руб. взамен TiMn
Нанокристаллическая проволока для металлокорда	Увеличение  предела прочности в 1,3 раза; снижение металлоемкости металлокорда на 0,3 т/т	91 тыс.руб. в  расчете на 1 т нанокристаллической  проволоки
Технология нанокристаллизации поверхности изделий из металла методом ионной имплантации
Шарикоподшипгиков	Увеличение  долговечности подшипников, раьотающих в агрессивных средах, со 150 – 200 до 500 – 600 млн.циклов	30 – 70 руб.  на один подшипник массой 0,150 кг  в зависимости от условий использования
Резцов с  наноструктурованной поверхностью	Повышение стойкости  резцов в 4 – 6 раз	10,2 руб. на  резец массой 0,1 кг

 

 

Заключение.

На основании  анализа открытых информационных источников установлено:

• машиностроение, в основном, является потребителем как наноструктурных, так и наноструктурированных материалов, и нанотехнологий;
• отечественный уровень разработок наноматериалов и нанотехнологий для машиностроительных отраслей соответствует мировому, а порой и превосходит его;
• нанотехнологии и наноматериалы могут найти применение во всех технологических переделах машиностроительного производства: литейное (ультразвуковые нанотехнологии подготовки формовочных материалов и изготовления гипсовых форм с повышенными физикомеханическими свойствами для цветного литья [15], влияние наносекундных электромагнитных импульсов на расплавы цветных металлов [16] и др.), кузнечнопрессовое, сварочное, инструментальное производства, термообработка, гальваника, сборка, нанесение изно, коррозионностойких, лакокрасочных, воодоотталкивающих и других покрытий, а также при ремонте как технологического, так и выпускаемого предприятием оборудования;
• тормозом для освоения нанотехнологий и наноматериалов для машиностроения является как низкий технический уровень предприятий машиностроительных отраслей России, так и отставание России в производстве наноматериалов (нанопорошков, нанотрубок, фуллеренов и др.). Так, если, например, производство наноалмазных порошков серийно освоено на нескольких предприятиях (заводы в Ленинградской и Свердловской областях), то выпуск нанотрубок насчитывает единицы килограммов (нет спроса). В то же время на заводах стран Евросоюза объем производства нанотрубок – сотни тонн в год.
• существующие ставки банковского кредита делают невозможным рентабельное освоение инноваций;
• недостаточное внимание вопросам обучения и повышения квалификации специалистов – будущих потребителей нанотехнологий и наноматериалов (в том числе руководителей и специалистов машиностроительных отраслей промышленности), а также пропаганде достижений в области наноиндустрии для машиностроения.