Различают три основных направления:

1. Формоизменение при помощи высокоточных методов пластического деформирования.
2. Применение традиционных способов металлообработки, но отличающихся повышенной точностью и производительностью.
3. Использование высокоэнергетических методов.

Выбор оптимального метода обработки определяется производственными требованиями и серийностью производства . Например, переутяжелённые конструкции оборудования вызывают повышенный расход энергии, а сниженная точность изготовления отдельных деталей и узлов – низкую производительность техники. Некоторые технологии не могут обеспечить необходимые прочностные свойства и микроструктуру металла, что в итоге сказывается на долговечности и стойкости деталей, пусть даже и изготовленных с минимальными допусками. Новая технология обработки металла основана на использовании нетрадиционных источников энергии, которые обеспечивают его размерное плавление, испарение или формообразование.

Мехобработка, связанная со снятием стружки, развивается в направлении изготовления особо высокоточных изделий преимущественно в мелкосерийном производстве. Поэтому традиционные станки уступают место оперативно переналаживаемым металлообрабатывающим комплексам с ЧПУ. Сравнительно невысокий коэффициент использования материала (при мехобработке он редко когда превышает 70…80% ) компенсируется минимальными допусками и высоким качеством финишной поверхности изделий.

Производители систем с числовым управлением делают основной упор на расширенные технологические возможности рассматриваемого оборудования, использовании современных высокостойких инструментальных сталей и исключении ручного труда оператора. Все подготовительно-заключительные операции на таких комплексах выполняет робототехника.

Энергосберегающие методы пластического деформирования металлов

Технология обработки металлов давлением, кроме повышенного коэффициента использования металла, обладает и другими существенными достоинствами :

• В результате пластического деформирования улучшается макро- и микроструктура изделия;
• Производительность оборудования для штамповки в разы превышает аналогичный показатель для металлорежущих станков;
• После обработки давлением повышается прочность металла, возрастает его стойкость от динамических и ударных нагрузок.

Прогрессивные процессы холодной и полугорячей штамповки – дорнование, точная резка, выдавливание, ультразвуковая обработка, штамповка в состоянии сверхпластичности, жидкая штамповка. Многие из них реализуются на автоматизированном оборудовании, оснащаемом компьютерными системами контроля и управления. Точность изготовления штампованных изделий во многих случаях не требует последующей их доводки – правки, шлифования и т.д.

Высокоэнергетические способы формоизменения

Высокоэнергетические технологии применяются в тех случаях, когда традиционными методами изменять форму и размеры металлической заготовки невозможно.

При этом используются четыре вида энергии :

1. Гидравлическая - давления жидкости, либо отдельных элементов, приводимых ею в движение.
2. Электрическая , при которой все процессы съёма материала выполняются с помощью разряда – дугового или искрового.
3. Электромагнитная , реализующая процесс металлообработки при воздействии на заготовку электромагнитного поля.
4. Электрофизическая , действующая на поверхность направленным лучом лазера.

Существуют и успешно развиваются также комбинированные способы воздействия на металл, при которых используются два и более источника энергии.

Основана на поверхностном воздействии жидкости высокого давления. Подобные установки применяются, в основном, с целью повышения качества поверхности, снятия микронеровностей, очистки поверхности от ржавчины, окалины и т.п. При этом струя жидкости может воздействовать на изделие как непосредственно, так и через абразивные компоненты, находящиеся в потоке. Абразивный материал, содержащийся в эмульсии, постоянно обновляется, чтобы обеспечить стабильность получаемых результатов.

– процесс размерного разрушения (эрозии) поверхности металла при воздействии на него импульсного, искрового или дугового разряда. Высокая плотность объёмной тепловой мощности источника приводит к размерному плавлению микрочастиц металла с последующим выносом их из зоны обработки потоком диэлектрической рабочей среды (масла, эмульсии). Поскольку при металлообработке одновременно происходят процессы локального нагрева поверхности до весьма высоких температур, то в результате твёрдость детали в зоне обработки существенно увеличивается.

Заключается в том, что обрабатываемое изделие помещается в мощное электромагнитное поле, силовые линии которого воздействуют на заготовку, помещённую в диэлектрик. Таким способом производят формовку малопластичных сплавов (например, титана или бериллия), а также листовых заготовок из стали. Аналогичным образом на поверхность действуют и ультразвуковые волны , генерируемые магнитострикционными или пьезоэлектрическими преобразователями частоты. Высокочастотные колебания применяются также и для поверхностной термообработки металлов.

Наиболее концентрированным источником тепловой энергии является лазер. – единственный способ получения в заготовках сверхмалых отверстий повышенной размерной точности. Ввиду направленности теплового действия лазера на металл, последний в прилегающих зонах интенсивно упрочняется. Лазерный луч способен производить размерную прошивку таких тугоплавких химических элементов, как вольфрам или молибден.

– пример комбинированного воздействия на поверхность химическими реакциями, возникающими при прохождении через заготовку электрического тока. В результате происходит насыщение поверхностного слоя соединениями, которые могут образовываться лишь при повышенных температурах: карбидами, нитридами, сульфидами. Подобными технологиями может выполняться поверхностное покрытие другими металлами, что используется для производства биметаллических деталей и узлов (пластин, радиаторов и т.д.).

Современные технологии обработки металлов непрерывно совершенствуются, используя новейшие достижения науки и техники.

История человечества насчитывает не одну тысячу лет. На протяжении всего периода существования нашей расы отмечается стабильный технический прогресс, немаловажную роль в котором сыграло умение человека обращаться с металлом, создавать и добывать его. Поэтому вполне логично, что металлургия - это то, без чего невозможно представить наш быт, нормальное выполнение рабочих обязанностей и многое другое.

Определение

Прежде всего стоит разобраться с тем, как по-научному, с технической точки зрения, называют современную сферу производства.

Итак, металлургия - это раздел науки, техники, который охватывает процесс получения различных металлов из руды или иных материалов, а также все процессы, имеющие связь с трансформацией химического состава, свойств и структуры сплавов.

Структура

На сегодняшний день металлургия - это мощнейшая отрасль промышленности. Кроме того, она - обширное понятие, которое включает в себя:

• Непосредственное производство металлов.
• Обработку металлических изделий как в горячем, так и холодном виде.
• Сварку.
• Нанесение различных металлических покрытий.
• Раздел науки - материаловедение. Данное направление в теоретическом изучении физико-химических процессов ориентируется на познание поведения металлов, сплавов и интерметаллидов.

Разновидности

Во всем мире существует две основные отрасли металлургии - черная и цветная. Такая градация сложилась исторически.

Черная металлургия заключается в обработке железа и всех сплавов, в котором оно присутствует. Также эта отрасль подразумевает извлечение из недр земли и последующее обогащение руд , сталелитейное и чугунолитейное производство, прокат заготовок, производство ферросплавов.

К цветной металлургии причисляют работу с рудой любого металла, кроме железа. Кстати, условно делят на две большие группы:

Тяжелые (никель, олово, свинец, медь).

Легкие (титан, магний, алюминий).

Научные решения

Несомненно, что металлургия - это деятельность, требующая внедрения инновационных технологий. В связи с этим многие страны нашей планеты активно ведут исследовательские работы, целью которых является изучение и применение на практике самых разнообразных микроорганизмов, которые помогли бы решить, например, такой злободневный вопрос, как очистка сточных вод, являющихся обязательной составляющей металлургического производства. Помимо этого, уже стали реальностью такие процессы, как биологическое окисление, осаждение, сорбция и прочие.

Разделение по технологическому процессу

Заводы металлургии можно условно причислить к двум основным группам:

Пирометаллургии, где процессы протекают при очень высоких температурах (плавка, обжиг);

Гидрометаллургии, которая заключается в извлечении металлов из руд при помощи воды и прочих водных растворов с использованием химических реактивов.

Принцип выбора места постройки металлургического завода

Для того чтобы понять, на основе каких выводов принимается решение о возведении предприятия в том или ином месте, стоит рассмотреть основные факторы размещения металлургии.

В частности, если вопрос касается дислокации завода цветной металлургии, то здесь на первый план выходят такие критерии, как:

• Наличие энергоресурсов. Производство, связанное с обработкой легких цветных металлов, требует колоссального количества электрической энергии. Поэтому подобные предприятия возводят максимально близко к гидроэлектростанциям.
• Требуемое количество сырья. Разумеется, что чем ближе находятся залежи руды, тем, соответственно, лучше.
• Экологический фактор. К сожалению, страны постсоветского пространства не могут быть отнесены в категорию, где предприятия металлургии являются экологически безопасными.

Таким образом, размещение металлургии - сложнейший вопрос, решению которого следует уделять самое пристальное внимание с учетом всевозможных требований и нюансов.

Для формирования максимально подробной картины в описании обработки металлов важно указать на ключевые участки данного производства.

Предприятия черной металлургииимеют в своем составе несколько так называемых переделов. Среди них: аглодоменный, сталеплавильный, прокатный. Рассмотрим каждый из них детальнее.

Доменное производство

Именно на этом этапе осуществляют освобождение железа непосредственно из руды. Происходит это в доменной печи и при температуре свыше 1000 градусов Цельсия. Таким образом происходит выплавка чугуна. Свойства его будут напрямую зависеть от протекания процесса плавки. Регулируя плавление руды, можно в конечном счете получить один из двух передельный (используют в дальнейшем для производства стали) и литейный (из него отливают чугунные заготовки).

Производство стали

Соединяя железо с углеродом и, при необходимости, с различными легирующими элементами, в итоге получают сталь. Методов ее выплавки достаточно количество. Особо отметим кислородно-конверторный и электроплавильный, которые являются самыми современными и высокопродуктивными.

Конверторная плавка характеризуется своей скоротечностью и получением в итоге стали с требуемым химическим составом. Основу процесса составляет продувка кислородом через фурму, в результате чего чугун окисляется и трансформируется в сталь.

Электросталеплавильный способ - самый эффективный. Именно благодаря использованию дуговых печей можно выплавить самые качественные легированные марки стали. В подобных агрегатах нагрев загруженного в них металла происходит очень быстро, при этом есть возможность добавлять необходимое количество легирующих элементов. Кроме того, получаемая таким методом сталь имеет низкое содержание неметаллических включений, серы и фосфора.

Легирование

Этот процесс заключается в изменении состава стали посредством внедрения в нее рассчитанных концентраций вспомогательных элементов для последующего придания ей определенных свойств. В числе наиболее часто применяемых легирующих компонентов значатся: марганец, титан, кобальт, вольфрам, алюминий.

Прокат

Многие заводы металлургииимеют в своем составе прокатную группу цехов. В них производят как полуфабрикаты, так и уже полностью готовую продукцию. Сущность процесса заключается в пропуске металла в зазоре между вращающимися в противоположных направлениях стана. Причем ключевым моментом является то, что расстояние между валками должно быть меньше, чем толщина пропускаемой заготовки. За счет этого металл втягивается в просвет, перемещается и в итоге деформируется до заданных параметров.

После каждого пропуска зазор между валками делают меньше. Важный момент - зачастую металл недостаточно пластичен в холодном состоянии. И потому для обработки его заранее подогревают до требуемой температуры.

Потребление вторичного сырья

В современных условиях рынок потребления вторсырья как черных, так и цветных металлов неуклонно развивается. Во многом это обусловлено тем, что ресурсы руды, к огромному сожалению, не являются возобновляемыми. Каждый год их добычи существенно снижает запасы. Учитывая тот факт, что потребности в металлопродукции в машиностроении, строительстве, авиастроении, судостроении и прочих отраслях народного хозяйства неуклонно растут, вполне разумным выглядит решение развивать переработку уже отработавших свой ресурс деталей и изделий.

Можно с уверенностью утверждать, что развитие металлургии в некоторой степени объясняется и позитивной динамикой сегмента отрасли - использованием вторичного сырья. При этом переработкой металлолома занимаются и крупные, и мелкие компании.

Мировые тенденции развития металлургии

В последние годы наблюдается чёткое повышение объемов выпуска металлопроката, стали и чугуна. Во многом это объясняется настоящей экспансией Китая, который стал одним из ведущих планетарных игроков на рынке металлургического производства.

При этом различные факторы металлургии позволили Поднебесной отвоевать себе практически 60% всего мирового рынка. Остальную десятку основных производителей составили: Япония (8%), Индия и Соединенные Штаты Америки (6%), Россия и Южная Корея (5%), Германия (3%), Турция, Тайвань, Бразилия (2%).

Если же рассматривать отдельно 2015 год, то наблюдается тенденция снижения активности производителей металлопродукции. Причем самый большой спад отмечен в Украине, где был зафиксирован результат, который на 29,8% ниже прошлогоднего.

Новые технологии в металлургии

Как и любая другая промышленность, металлургия просто немыслима без разработки и внедрения на практике инновационных разработок.

Так, сотрудники Нижегородского государственного университета разработали и начали внедрять в практику новые наноструктурированные износостойкие твердые сплавы, в основе которых лежит карбид вольфрама. Основное направление применения новшества - производство современного металлообрабатывающего инструмента.

Кроме того, в России был модернизирован колосниковый барабан со специальной шаровой насадкой с целью создания новой технологии переработки жидкого шлака. Это мероприятие было выполнено на основе государственного заказа Министерства образования и науки. Такой шаг полностью себя оправдал, поскольку его результаты в итоге превзошли все ожидания.

Крупнейшие предприятия металлургии в мире

• Arcelor Mittal - компания с главным офисом в Люксембурге. Ее доля составляет 10% всего мирового производства стали. В России компании принадлежат шахты Березовская, Первомайская, Анжерская, а также "Северсталь-групп".
• Hebei Iron & Steel - гигант из Китая. Он полностью принадлежит государству. Помимо производства, компания занимается добычей сырья, его транспортировкой и проведением научно-исследовательских работ. На заводах компании используются исключительно новые разработки, и самые современые технологические линии что позволило китайцам научиться производить ультратонкие стальные плиты и сверхтонкий холоднокатанный лист.
• Nippon Steel - представитель Японии. Менеджмент компании, которая начала свою работу еще в 1957 году, стремится к объединению с другим предприятием, именуемым Sumitomo Metal Industries. По мнению экспертов, такое слияние позволит достаточно быстро выйти японцам на первое место в мире, обогнав всех своих конкурентов.

Процесс Consteel является инновационным решением в электросталеплавильном производстве, которое позволяет значительно экономить энергоресурсы и повышает эффективность и экологичность производства стали в электропечах.

Рис. 47. Схема установки Consteel: 1 – загрузка металлолома; 2 – конвейер; 3 – подогрев шихты горелками; 4 – отвод отходящих газов на установку газоочистки; 5 – подогрев шихты отходящими газами; 6 – электросталеплавильная печь; 7 – фурма для продувки ванны кислородом и углеродом

Особенностью этой технологии является непрерывная подача металлолома по конвейеру в электросталеплавильную печь (рис 47). Таким образом, процесс плавки становится фактически непрерывным. При этом обеспечивается постоянное плоское зеркало металла, над которым горят электроды, а расплавление поступающего металлолома происходит в ванне жидкого металла, что приводит к повышению стабильности процесса. Емкость таких печей составляет от 40 до 320 т. Внешний вид установки приведен на рис. 48.

Рис. 48. Внешний вид установки Consteel

В соответствии с технологией, шихта, с помощью электромагнитного крана, из вагонов подается на загрузочный конвейер, подогреваемый отходящими печными газами, который транспортирует ее к ДСП. Существует вариант технологии с дополнительными горелками, установленными над конвейером. Преимуществом процесса является отсутствие необходимости окускования металлолома, возможно использование даже стружки.

Подогретая шихта загружается в ДСП, где происходит ее расплавление в ванне жидкого металла. Отходящие с ДСП печные газы подогревают движущуюся по конвейеру шихту, после чего направляются на станцию газоочистки.

В отличие от загрузки, выпуск стали из печи осуществляется периодически, а для автоматического обнаружения шлака при выпуске используется устройство на основе инфракрасного датчика.

В печь также можно заливать жидкий чугун, который непрерывно подается в рабочее пространство печи по специальному футерованному желобу.

Преимущества технологии Consteel:

• сокращение расхода электроэнергии на 80…120 кВт·ч/т и электродов за счет повышения стабильности процесса и подогрева шихты;
• повышение производительности печи за счет непрерывности процесса;
• лучшие условия для шлакообразования и более благоприятная атмосфера в печи.
• повышение стойкости футеровки печи;
• снижение более чем на 40% затрат на материально-техническое обеспечение, персонал и обработку отходов производства.
• пониженное содержание FeO в шлаке, снижение содержания азота, фосфора и водорода в стали;
• снижение уровня шума и повышение экологичности производства.

Двухкорпусные печи

Двухкорпусные печи в первую очередь характеризуются повышенной производительностью. Такая печь состоит из двух ванн (корпусов) и одной системы питания с одним (печь постоянного тока) или тремя (печь переменного тока) электродами, которые переставляются с одной ванны на другую. Схема расположения оборудования двухкорпусной печи постоянного тока приведена на рис. 49, а внешний вид на рис. 50.

Рис. 49. Схема двухкорпусной электросталеплавильной печи: 1 – корпус, в котором происходит подогрев шихты.; 2 –
корпус, в котором происходит выплавка стали; 3 – канал для отходящих газов; 4 – канал к системе газоочистки; 5 – электрод с держателем; 6 – положение электрода на второй стадии; 7 — электрические кабеля к верхнему электроду; 8 — электрические кабеля к нижнему электроду

Пока в одном корпусе идет плавка металла с помощью электродов в другом корпусе происходит подогрев шихты отходящими газами из первого корпуса или газовыми горелками. При этом время плавки сокращается на 40%, а за счет подогрева шихты достигается снижение расхода электроэнергии на 40…60 кВт·ч/т. Встречаются печи, в которых электроды установлены на двух ваннах, однако в этом случае теряется экономический эффект от сокращения капитальных затрат на строительство агрегата.

Рис. 50. Двухкорпусная сталеплавильная печь постоянного тока

Еще одним вариантом реализации двухкорпусных печей является агрегат CONARC (СONverter + electric ARC furnance). Этот агрегат также имеет два корпуса печи, но помимо одного комплекта электродов на нем установлена и фурма для подачи кислорода (как в конвертере). Внешний вид агрегата приведен на рис. 51. Преимуществом данного агрегата является возможность выплавки стали из жидкого чугуна и металлолома (или DRI) практически в любых пропорциях.

Рис. 51. Агрегат CONARC

Процесс выплавки стали разделен на две стадии (рис. 52). Вначале в один корпус заливают чугун, в печь устанавливают фурму и начинают продувку кислородом. На этой стадии производится обезуглероживание металла.

Рис. 52. Схема агрегата CONARC: 1, 2 – корпуса печи; 3 – кислородная фурма; 4 – электроды; 5 — газоотвод

Во избежание перегрева ванны из-за происходящих во время продувки процессов окисления углерода, кремния, марганца и фосфора, в печь добавляют охладители в виде металлолома или DRI. После завершения продувки, кислородную фурму переставляют на второй корпус (или отводят в сторону), а на первый корпус устанавливают электроды. На этой стадии в печь добавляют оставшееся количество твердой шихты и начинают ее расплавление с помощью электродов.

После достижения необходимой температуры металл выпускают в ковш. Затем процесс циклически повторяется снова. Таким образом, выплавка стали идет одновременно в двух корпусах печи, а электроды и фурма переставляются на них поочередно, что обеспечивает высокую производительность агрегата, которая на 30 % выше чем у двух обособленных агрегатов аналогичной емкости). Время плавки составляет от 40 до 60 мин.

Аналогичный принцип использован и в агрегате «Arcon-процесс», разработанном компанией «Concast Standard AG». Отличием является то, агрегат питается постоянным током и корпус агрегата фактически соответствует корпусу конвертера. Поскольку используется постоянный ток, то на агрегате установлено не три, а два электрода – один верхний графитовый и один донный пластинчатый медный электрод (см. рис. 49).

Агрегат «Arcon» имеет производительность 1,6 млн.т/год. В качестве металлошихты используют жидкий чугун (40%), гранулированный чугун (5%) и HBI (55%). Масса выпускаемой плавки — 170 т. Цикл работы каждого корпуса агрегата составляет 92 мин.

В целом, комбинация конвертера и дуговой печи в одном агрегате дает следующие преимущества по сравнению с обычной дуговой печью:

• широкий выбор металлошихты;
• высокая производительность;
• низкий расход электроэнергии в результате использования химической энергии окисления примесей металлошихты;
• уменьшение требуемой электрической мощности;
• снижение удельного расхода электродов;
• меньшее влияние на токоподводящие сети, возможность работы при маломощных электросетях;
• снижение затрат на электрооборудование.

Шахтные электросталеплавильные печи

Особенностью конструкции шахтной электросталеплавильной печи является наличие шахты, в которой производится подогрев металлолома перед загрузкой его в печь. Такая шахта устанавливается сверху над сводом обычной дуговой печи. Шахт может быть одна или две. Температура до которой можно подогреть металлолом составляет 800 °С. Экономия электроэнергии за счет такого предварительного подогрева металлолома составляет 70…100 кВт·ч/т. Через шахту загружается до 60% металлолома, остальной (например крупногабаритный) загружается в саму ванну печи, для этого шахта отодвигается в сторону. Цикл плавки составляет 35…50 минут от выпуска до выпуска. Кроме экономии электроэнергии обеспечивается также сокращение расхода электродов на 30% и повышение производительности на 40%.

Данный процесс появился сравнительно недавно (в конце 80-х годов 20 века), поэтому поиск оптимальных конструкции такой печи продолжается. Рассмотрим два наиболее современных варианта.

SIMETAL EAF Quantum – самое современное конструкторское решение печи с подогревом металлома. На настоящий момент установлена только одна печь на заводе мексиканской сталелитейной компании Talleres y Aceros S.A. de C.V. (г. Тиаса).

Масса плавки по выпуску составляет 100 т, но при этом масса болота (металл и шлак, оставленный после предыдущего выпуска) составляет 70 т. Схема печи приведена на рис 53.

Рис. 53. Схема расположения оборудования печи SIMETAL EAF Quantum: 1 –бадья с металлоломом; 2 – загрузочный лоток; 3 – наклонный подъемник; 4 – система газоочистки; 5 — загрузочное устройство; 6 – шахта для подогрева шихты; 7 – ДСП; 8 – сталеразливочный ковш; 9 – держатель с электродами; 10 – трансформатор

Металлолом краном загружается в бадью и перегружается в подъемник, который поднимается на верх шахты и после открытия люка высыпается вовнутрь, где происходит его подогрев. В этой печи применена новая конструкция шахты, с удерживающими металлолом водоохлаждаемыми пальцами (рис. 54).

Рис. 54. Конструкция шахты печи SIMETAL EAF Quantum (а) и конструкция водоохлаждаемых пальцев (б)

После подогрева пальцы разводятся в стороны и металлолом высыпается в ванну печи. Всего за цикл плавки, продолжительность которого составляет 33 мин, предусмотрена подача трех порций металлолома. Продолжительность нагрева каждой порции – 9 минут. Выпуск металла осуществляется через канал в виде сифона (рис. 55) что позволяет наклонять печь всего на 4° и отсекать полностью шлак.

Рис. 55. Выпуск стали в печи SIMETAL EAF Quantum

Еще одним инновационным решением, которое совмещает в себе преимущество шахтных печей и печей с непрерывной загрузкой является система EPC (Environmental Preheating and Continuous Charging), которую разработали компании CVS MAKINA и KR Tec GmbH (Турция).

Схема печи с установкой EPC приведена на рис. 56.

Рис. 56. Дуговая печь с системой ЕРС: 1 — ДСП; 2 — система ЕРС; 3 – завалочная камера; 4 – система газоотвода; 5 – шахта для подогрева шихты; 6 – телескопический толкатель

Система ЕРС работает следующим образом (рис. 57). С помощью завалочной корзины шихта загружается в завалочную камеру системы EPС, через отрытую крышку (рис. 57, а).

Рис. 57. Схема работы установки ЕРС: а – загрузка шихты; б – нагрев; в – выгрузка шихты в печь; г – окончание выгрузки нагретой шихты и загрузка новой порции

В этой позиции передняя стенка завалочной камеры закрывает шахту (камеру предварительного нагрева) в которой уже подогревается первая порция шихты. Во время загрузки шихты в завалочную камеру процесс плавления в ДСП и процесс предварительного нагрева шихты не останавливаются.

После загрузки шихты из корзины в завалочную камеру крышка закрывается и с помощью гидравлических цилиндров завалочная камера помещается сверху шахты, в которую высыпается шихта для ее предварительного нагрева (рис. 57, б).

После подогрева шихты, с помощью толкателя часть ее ссыпается в пространство печи (рис 57, в), а затем происходит загрузка новой порции металлолома (рис 57, г).

Время плавки в печи, оснащенной системой ЕРС составляет 36 мин, масса плавки по выпуску – 100 т, температура подогрева шихты 800 °С.

Преимущества системы EPС:

• энергосбережение до 100 кВт·ч/т;
• увеличение производительности на 20%;
• независимая завалка лома;
• минимальный выброс пыли;
• быстрая окупаемость (около 12 месяцев).

Достижения отечественной науки в металлургии и металлообработке составляют надёжный задел для масштабной модернизации промышленности.

Обосновывая необходимость ускоренной индустриализации страны, Сталин сказал в 1931 году: "Мы отстали от передовых стран на 50-100 лет. Мы должны пробежать это расстояние в десять лет. Либо мы сделаем это, либо нас сомнут".

Индустриализация была ориентирована на создание мощной и самой современной металлургии. Ведь металл, особенно качественные стали - это основа любого производства.

Было бы неверно говорить, что передовая советская металлургия создавалась на пустом месте. Уральские заводы некогда поставляли чугун и сталь всей Европе. Сабли из златоустовской стали не уступали знаменитым булатным. Златоуст сравнивали с Золингеном. А на стыке 19-го и 20-го веков на базе высококачественной криворожской железной руды и лучшего в мире донецкого угля возникла современная южнорусская металлургия.

Было чем гордиться и российской металлургической науке и изобретательству. Говоря о научно-технических достижениях нашей страны, нужно вспомнить о Ползунове, который еще в 18-м веке первым в мире построил доменную воздуходувку, приводившуюся в движение силой пара. Нужно сказать об Аносове, создавшем металлургию легированных сталей, о Чернове, который основал науку металловедения и разработал теорию и технологию термической обработки металлов. Нужно назвать Соболевского, создавшего порошковую металлургию, в которой так преуспела потом Россия, братьев Горяиновых, разработавших и внедривших в производство передовую технологию мартеновской плавки на жидком чугуне. Перечень можно было бы расширить.

В считанные годы индустриализации самоотверженным трудом советского народа были воздвигнуты гигантские и самые современные по тому времени металлургические комбинаты - Магнитогорский, Кузнецкий, был построен Челябинский завод легированных сталей.

Легированным сталям придавали особое значение. Это сторицей оправдалось в годы второй мировой войны.

* Знаменитая "тридцатьчетверка" - советский средний танк Т-34, по общему признанию, лучший танк времен войны - обладал исключительной маневренностью. Маневренность же объяснялась тем, что "тридцатьчетверка" была гораздо меньше весом, чем немецкие боевые машины. Броня советского танка была тоньше, но в то же время много прочнее - за счет легированной стали.

* Легированная броня спасла жизнь тысячам и тысячам танкистов. Броня немецких танков от попадания снарядов раскалывалась - нехватка в стали легирующих металлов. В броне "тридцатьчетверки" снаряд оставлял только вмятину - сталь была "мягкой" именно благодаря легирующим металлам.

После войны металлургия СССР продолжала бурно развиваться. Уже с акцентом на качественную сторону. Один за другим вступали в строй заводы всевозможных специальных сталей и сплавов. Особенно титановых, обладающих исключительной прочностью. Металлургия Советской России вырвалась вперед и до сих пор не сдает своих позиций.

После войны СССР стал мировым лидером и в разработке передовых технологий в металлургии. Базой для проведения научных исследований и опытно-конструкторских разработок в отрасли был Новотульский металлургический завод.

* Факт. Из 13 крупнейших нововведений в металлургии послевоенного периода 8 принадлежали СССР.

* Факт. Ученые и инженеры на Новотульском заводе разработали и внедрили в производство технологию непрерывной разливки стали, которая революционизировала сталелитейную промышленность. Сегодня по этой технологии производят свыше 90% всей стали в мире.

* Факт. "Переворотом в литейном производстве" назвали в Японии изобретенные советскими социалистами так называемые самотвердеющие формовочные смеси. Принципиально новая технология на порядок повысила качество отливок, что резко подняло производительность труда. Кроме того, новшество свело к минимуму ручной труд, шум и запыленность в литейных цехах.

* Факт. Именно в СССР были впервые применены в доменных, конверторных, электрических печах методы поддува кислорода. Они тоже, по общему признанию специалистов, революционизировали металлургическое производство.

РОССИЙСКИЕ ПАТЕНТЫ И ЛИЦЕНЗИИ

В числе советских приоритетов Джон Кайзер, советник президента США Рейгана по проблемам науки и техники, называл "технологии обработки металлов и материалов".

В перечне крупнейших российских научно-технических достижений - термическая обработка металлов, в которой преуспел наш выдающийся металлург Чернов. Он вел свои научные исследования и опытно-конструкторские разработки в первой половине 19-го века. Дело Чернова продолжала плеяда его талантливых учеников. Российские "термисты" первенствовали в своей сфере.

Но основательных успехов в металлообработке Россия стала добиваться позднее - когда заработали ее современные машиностроительные заводы в Петербурге, Нижнем Новгороде, Брянске, других промышленных центрах. На этих заводах присущая русским мастеровым сметка сочеталась с современной европейской техникой и технологией.

В СССР парк металлообрабатывающего оборудования стал самым многочисленным в мире. Заводы Ивановского станкостроительного объединения выпускали высокоточные металлообрабатывающие станки с программным управлением, пользовавшиеся исключительным спросом на мировом рынке. Иностранные заказчики стояли за ними в очереди.

Россия - признанный лидер в производстве тяжелого металлообрабатывающего оборудования. В Японии, США, ФРГ, Франции, Англии, Италии и других странах, например, работают гигантские токарно-карусельные станки, изготовленные Коломенским заводом тяжелого машиностроения. Эти 20-метровые станки обрабатывают заготовки в сотни тонн с микронной точностью.

Особенно преуспела Россия в изготовлении тяжелых прессов. Пожалуй, в этой сфере у нее вообще нет серьезных конкурентов. Один конкретный пример. В 1977 году из СССР во Францию был поставлен гигантский гидравлический пресс усилием 65 тысяч тонн. Французские специалисты и инженеры отзываются о российском прессе самым лестным образом. Прошло уже почти полвека, а этот пресс остается самым мощным в Европе.

А недавно, в 1999 году, Россия поставила тяжелый пресс в США. Его усилие гораздо меньше - 15 тыс. тонн. Тем не менее, и он поразил американцев своей мощью. Они прозвали его "Большим медведем".

Область обработки металлов и других материалов чрезвычайно широка и многогранна. И чем дальше развиваются высокие технологии, в частности, в электронике, тем важнее становится для промышленности миниатюризация обработки.

Среди крупнейших научно-технических достижений России значится одно из великих открытий современности - .

совершили переворот в обработке металлов и материалов. Один только факт. Сверление лазером алмазов сокращает время обработки с 48 часов до... 2 минут, т.е. в 1500 раз!

Среди научно-технических достижений России - ряд открытий в физике и химии. Казалось бы, как могут быть связаны чисто теоретические работы в ядерной физике с практикой промышленности. Но жизнь еще и еще раз подтверждает парадоксальную мысль: нет ничего практичнее хорошей теории.

Приоритетные исследования наших ученых в области физики плазмы закономерно привели к разработке промышленных технологий плазменной обработки металлов и материалов. В этой области СССР и Россия тоже добились впечатляющих результатов.

Россия до сих пор лидирует в сфере плазменной обработки металлов. Чтобы закрепить лидерство, был создан специальный межотраслевой научно-технический комплекс, была разработана программа ускоренного внедрения плазменных технологий в промышленность. Главное же - построили мощный завод по производству плазменного оборудования.

Успехи не замедлили появиться. К примеру, на Электростальском заводе тяжелого машиностроения обработка всех крупных и особо ответственных деталей связана уже с давних пор с плазменной технологией. Экономический эффект оказался огромным. Качество обработки улучшилось на порядок. Экономится очень много электроэнергии, высокосортной стали, а главное - человеческого труда.

Давнее признание Джоном Кайзером, советником президента США, лидерства нашей страны в обработке металлов и материалов стократно подтверждалось потом другими иностранными отзывами. В частности, отзывами из США.

Американская компания "Малти Арк" в свое время приобрела право на выпуск советской вакуумно-плазменной установки "Булат" для упрочняющего покрытия инструментов. Руководители компании дали такую оценку установке: "Это не просто усовершенствование. Это технологическая революция. Это технология завтрашнего дня для сегодняшней промышленности".

Подобных примеров - множество. И сегодня потенциал российской экономики остается очень высоким. У России находится крупнейший "портфель идей", определяющих развитие высоких технологий и самой передовой техники, они станут востребованы тогда, когда в стране начнётся реальная модернизация промышленности.

1.1. Понятие о наноматериалах и нанотехнологии

Десятичную приставку «нано», употребляют для обозначения одной миллиардной части какой-либо величины. Наномасштабом называют размерный диапазон между 1 и 110 нанометрами (1 нм = 10 -9 м = 10 -6 мм = 10 -3 мкм).

На рис. 1 приведены параметры ряда природных объектов в размерном диапазоне от 10 м до 1 ангстрема (1 Å = 0,1 нанометр «нм» = 100 пикометров «пм»; 10 000 Å = 1 микрон «мкм»).

Рисунок 1. Место наноразмерных объектов в окружающей природе.

Современными нанотехнологиями называют широкую сферу технологических процессов, с помощью которых осуществляют контроль структуры материи на атомарно-молекулярном уровне и управления ею с целью получения материалов и систем, имеющих принципиально новый комплекс обуславливаемых нанофакторами свойств, для их интегрирования в состав полноценных макросистем. При этом создание наноматериалов, являющихся высокотехнологичными продуктами, не нуждается в наличии громоздких производственных мощностей.

Наноматериалы – это вещества и их соединения, которые содержат ряд структурных элементов (зерен, кристаллитов, волокон, слоев, пор), размерные параметры которых хотя бы в одном из направлений не могут превышать нанотехнологический порог 1…110 нм, что обеспечивает проявление у них принципиально новых функциональных свойств механического, химического, электро- теплофизического, магнитного, оптического, биологического генеза, качественно отличающихся от аналогичных характеристик традиционных макроструктурных материалов.

Основные разновидности наноматериалов представлены на рис. 2.

Рисунок 2. Основные разновидности наноматериалов.

Вообще же термин «наноматериалы», имея объединяющее значение, сочетает в себе обширный спектр микроструктурных материалов, а именно:

• нанопорошков;
• нанопористых структур;
• нанотрубок и нановолокон;
• нанодисперсных коллоидов;
• наноструктурированных поверхностных пленок;
• нанокристаллитов;
• нанокластерных образований.

Т. наз. нанокластерные структуры являют собой категорию микрочастиц, имеющих упорядоченное строение и характеризуемых размерами 1…5,1 нм. У нанокластеров сложной структурной конфигурации рассматриваются не отдельные линейные параметры, а размеры структурного образования в целом.

Особым подвидом нанокластерных структур являются фуллерены. Фуллерены – это категория характеризуемых проявлением наноразмерных эффектов стабильно замкнутых многоатомных молекул сферической и сфероидальной конфигурации, поверхность которых образуют правильные многогранники из атомов С или иных химических элементов.

Нанотрубки – имеющие протяженные внутренние полости наночастицы нитевидной структуры, состоящие из атомов С или иных химических элементов Ø ≤110 нм.

Нановолокна – наночастицы нитевидной структуры Ø ≤110 нм, которые не содержат внутреннюю полость.

Ультрадисперсные нанопорошки – порошки с зернами Ø ≤110 нм.

Наноструктурные покрытия – поверхностные защитные пленки наноразмерных параметров.

Нанокомпозиты – полиструктурные материалы, имеющие в своем составе металлическую, полимерную, керамическую макроструктурную матрицу и наполнитель из наночастиц.

1.2. Строение и свойства наноструктурных материалов

Вещество наноматериалов в сравнении с веществом макроообъектов характеризуется следующими особенностями:

• нанометровые параметры кристаллитов;
• атомно-молекулярная структура дискретного генеза;
• высокий процент поверхностных атомов;
• множественные границы раздела;
• квантовая закономерность поведения;
• превалирование процесса самоупорядочения явлений над их искусственным упорядочением;
• высокая скорость протекания в наносистемах различных химических реакций и других процессов;
• потенциальная полифункциональность;
• возможность качественно минимизировать материалоемкость изделий и энергозатрат на их изготовление.

В обобщенной форме перечень важнейших структурных и физических аспектов специфики наноматериалов, определяющих их уникальные характеристики, приведен на рис. 3.

Рисунок 3. Структурные и физические аспекты специфики наноматериалов.

Наноматериалы характеризуются более высокими (в сравнении с традиционными аналогами) значениями механических свойств, предела текучести, временного сопротивления, твердости, ударной вязкости, усталостной прочности и т.д. Еще одна уникальная особенность наноматериалов состоит в оптимальном сочетании показателей «прочность» и «пластичность», в т.ч. при высоких температурах.

1.3. Принципы классифицирования наноматериалов

Наноматериалы классифицируют по принципу:

• размерности частиц;
• структуры;
• физико-химического состава и т.д.

В основу классификация наноматериалов по размерным параметрам заложен базовый постулат, согласно которому эти параметры хотя бы по одному из пространственных направлений должны укладываться в рамки диапазона 1…110 нм. Схема подобной классификации изображена на рис. 4.

Рисунок 4. Классификация наноматериалов по размерным параметрам.

Как видим, наноматериалы, исходя из размерных критериев, подразделяются на 4 категории.

• нанопорошков из наноразмерных частиц;
• нановолокон;
• нанотрубок;
• тончайших нанопленок, имеющих толщину ≤110 нм.

Данные материалы состоят из одного или нескольких структурных элементов (нанопорошки) или слоев (нанопленки).

• нанопроволоку;
• наноленту;
• нанофольгу.

Наноизделия в составе 3-й категории – это материалы поликристаллической структуры, достаточно массивные и объемные, чьи размерные параметры близки к границе макродиапазона (> 1,01 мм). Они состоят из значительного количества нанокристаллитов с размерами зерен 1…110 нм.

Это, в частности, материалы в виде:

• стекол;
• гелей;
• перенасыщенных твердых растворов.

Ко 2-й подкатегории причисляют материалы с неоднородной микроструктурой (из различных по структуре и химсоставу наноэлементов). Данная группа многофазных материалов представлена, главным образом, сложными металлическими сплавами.

Кроме размерного, имеются и другие подходы к классифицированию наноматериалов.

Так, в частности, в последние десятилетия все болльшую популярность обретает т. наз. классификация по Глейтеру, где наноматериалы распределяются по фазам и химсоставу (рис. 5).

Рисунок 5. Классификация по Г. Глейтеру.

Здесь наноматериалы по химсоставу классифицируются на однофазные и многофазные. Первые, в свою очередь, подразделяются на группы статических (с идентичными/неидентичными границами разделяемых поверхностей) и матричных. Одновременно все материалы могут иметь пластинчатую, столбчатую или равноосную структуру. Наиболее распространенными являются группы одно- и многофазных объектов столбчатого и многослойного типа структур.

Следует также упомянуть и о двухбазисной классификации наноразмерных структур (рис. 6).

Рисунок 6. Двухбазисная классификация НРС.

В данном случае НРС по типу нанобазиса подразделяют на категории классических твердотельных, синтетических и наноразмерных биоструктур, а по топологическому принципу – на непрерывные, дискретные с прерывистой структурой и комбинированные (в т.ч. многофункциональные).

1.4. Нанопорошки: особенности и получение

Ведущее место среди всех известных наноматериалов принадлежит нанопорошкам, или, как их еще называют, ультрадисперсным порошкам (рис. 7).

Рисунок 7. Место ультрадисперсных порошков среди наноматериалов.

На сегодняшний день уже созданы и описаны различные по составу типы нанопорошковых систем на базисе Fe, Ni, Co, Cu, Ag, Au, W, Mo; Ti, а также оксидных, нитридных, карбидных и прочих химических соединений.

Главная отличительная особенность нанопорошковых структур состоит в том, что они, являясь автономной группой наноматериалов, в то же время могут быть использованы как исходные сырьевые компоненты для получения объемных компактируемых наноразмерных структур (НРС), таких, в частности, как твердые сплавы, нанокерамика и нанокомпозиты.

По мере измельчения порошков от грубодисперсного до ультрадисперсного состояния кардинально изменяется целый ряд их физико-химических и физико-механических характеристик. Именно наличие данного фактора явилось причиной выделения нанопорошков в обособленную группу диспергированных структур, практическое использование которых обуславливает возникновение широчайшего потенциала в сфере разработки инновационных технологий, создания принципиально новых материалов и оборудования.

1.4.1. Методы получения нанопорошков
В технологическом отношении методы получения нанопорошковых материалов условно подразделяют на 2 группы:

• методы создания нанопорошков;
• методы создания компактированных нанопорошковых материалов.

Всем методам создания микродисперсных порошковых материалов присущи определенные характерные особенности, регламентирующие их отличие от соответствующих макротехнологий.

В частности, процессы создания наноразмерных порошковых структур характеризуются:

• интенсивным образованием точек зарождения зерен при незначительной интенсивности их роста;
• максимальными размерами зерен, не превышающими 110 нм;
• узостью пределов распределения зерен по размерным параметрам;
• неизменностью размерных границ;
• воспроизводимостью фазо- и химсостава зерен.

Размер зерен порошковых НРС, сообразно методам создания и особенностям технологического процесса, может варьироваться в пределах 5…110 нм. Обобщающими особенностями частиц всех без исключения нанопорошков является их способность к агрегатированию и агломерации.

Перечислим наиболее востребованные способы создания и компактирования порошковых нанодисперсий.

Способ конденсации с последующим осаждением Применение этой технологии наиболее распространено, поскольку переход исходной субстанции в газоагрегатную фазу (пар) под воздействием мощных энергоисточников с последующим осаждением наночастиц легко контролировать, в особенности если для этого применяются камеры (вакуумные либо насыщенные He, Ar, Xe и другими инертными газами). Контроль же, в свою очередь, обеспечивает возможность соблюдения строгих требований в отношении чистоты создаваемых порошковых ультрадисперсий.

Сообразно тому, какой характер носит процесс испарения, данный способ можно осуществлять, используя различные технологии.

Метод термоиспарения предусматривает нагревание подлежащей испарению исходной субстанции в огнеупорных тиглях. Нагрев может осуществляться с применением таких высокомощных энергоисточников, как электродуговые, электроннолучевые, индукционные, плазмолазерные и др. Зерна осаждаемых металлических и неметаллических нанопорошков в этом случае, как правило, имеют сферическую либо ограненную конфигурацию.

Важнейшее достоинство метода – возможность получать химически чистые ультрапорошковые дисперсии, где зерна распределяются в узких размерных «коридорах»; основным недостатком можно считать относительно медленное протекание процесса.

Процессы получения ультрадисперсных порошков способами конденсации и термоиспарения схематично показаны на рис. 8.

Рисунок 8. Получение ультрадисперсных порошков способами конденсации и термоиспарения.

Метод взрывоиспарения, когда процесс носит взрывной характер и протекает с почти мгновенным генерированием мощного энергоимпульса. С помощью данного метода осуществляют получение высокочистых нанопорошков с зернами правильной сферической формы диаметром 5,5…10,5 нм, в т. ч. из химически активных и термостойких исходных компонентов. Основными недостатками являются высокая энергоемкость, а значит, и недостаточная экономическая эффективность. На рис. 9 представлено фото ультрадисперсного NiO, созданного посредством электровзрыва.

Рисунок 9. Нанопорошок NiO, полученный методом электровзрывного испарения.

Довольно распространенной является технология получения нанопорошков посредством т. наз. метода струйной левитации, когда процесс испарения металла происходит в среде мощной инертногазовой струи (рис. 10).

Рисунок 10. Получение микродисперсных порошков испарением металла в струе инертного газа.

Металлическая/металлоидная проволока поступает в индуктор с инертным газом (Ar), где в результате нагрева под воздействием магнитного поля высокой частоты ее кончик расплавляется и обретает форму капли. Расплав, испаряясь, преобразуется в пар, «разбавленный» интенсивным газовым потоком. Затем образовавшаяся газовопаровая фаза охлаждается и конденсируется в виде металлической пыли тончайшей наноразмерной дисперсии – нанопорошка.

Размерные параметры образуемых наночастиц обратно пропорционально зависят от интенсивности газового потока. По мере повышения интенсивности уменьшаются в пределах 510…11 нм. При этом одновременно минимизируется степень рассеивания частиц. Посредством левитациолнно-струйного метода получают, в частности, ультрадисперсные порошки сурьмы и марганца.

Плазмохимический метод. Здесь функцию энергоисточника выполняет низкотемпературная плазма. Базовым сырьевым компонентом служит проволока из металлов/металлоидов и химсоединений на их основе. В силу того, что Т° плазмы может доходить до 12000 К, а интенсивность взаимодействия весьма высока, практически все исходные компоненты почти мгновенно преобразуются в пар с последующим конденсированием частиц нанопорошка, характеризуемых правильностью форм и размерными параметрами 11…210 нм. Наивысший температурно-мощностный режим обеспечивается в установках с дугоплазмотронами, а самые химически чистые порошки стабильной ультрадисперсной структуры образуются при помощи СВЧ-плазмотронов. В активных углеродистых, кислородных и азотистых средах методом плазмохимического синтеза можно получать карбидные, нитридные, боридные, оксидные, а также поликомпонентные нанопорошки, в т.ч. порошки фуллеренов.

Группа химических методов – это технологии получения нанопорошков, основанные на химреакциях, в которые вступают соединения исходных компонентов. Заключенные в реактор соединения подвергаются терморазложению с выпадением наночастиц в виде твердого осадка. Базовым сырьем служат группы галогенидов (чаще всего хлоридов) металлов, алкильных соединений, карбонидов или оксихлоридов.

Размерные параметры образующихся наночастиц могут регулироваться варьированием температурных характеристик и скорости образования осадка. Посредством таких технологий получают ультрадисперсные порошки Si, B, оксидов Ti, Zr, Al, нитридов, карбидов и карбонитридов Si, а также диборида Ti с частицами размером 22…610 нм.

Золь-гель метод – специальная технологическая разработка для создания оксидной нанокерамики.

Последовательными этапами протекания золь-гель процесса являются:

• стадия создания исходных алкоксидных растворов;
• стадия их каталитического взаимореагирования с начальным гидролизом;
• стадия конденсационной полимеризации;
• стадия последующего гидролиза с образованием конечной продукции.

Конечной продукцией золь-гель синтеза становятся оксидные полимеры в виде гелей, которые искусственно старят, промывают, высушивают и подвергают термической обработке. Достоинства метода – возможность создания высокочистых нанопорошков с частицами однородной структуры, а недостаток – сложная конструкция и дороговизна применяемого оборудования.

Метод компактирования объединяет в себе ряд технологий создания из нанопорошков готовых изделий. Компактирование обычно осуществляется в 2 этапа – прессованием и спеканием, хотя существует ряд методов, где эти две стадии объединяются.

Методы прессования. Микродисперсные порошки чаще всего прессуют с применением одноосной технологии, которая обрела широкую популярность благодаря повсеместному использованию при формовании макроструктурных порошков.

Получили распространение такие ее разновидности, как:

• способ статического прессования с применением пресс-форм;
• способ динамического прессования (с применением магнитоимпульсного и взрывного методов);
• способ холодной штамповки;
• способ ультразвукового вибропрессования.

Для создания формовок высокой плотности из нанопорошков применяют способ изостатического прессования, заключающийся во всестороннем сжатии исходного порошка, засыпанного в деформируемый контейнер. Создаваемые таким путем формовки имеют почти одинаковую плотность во всем объеме при отсутствии анизотропии свойств. Недостатками метода считаются конструкционная сложность применяемой аппаратуры а также возможность погрешностей при контроле точности размерных параметров формовок.

Метод спекания под давлением заключается в фактическом объединении в одну фазу этапов формовки, что позволяет достичь высоких показателей плотности без увеличения температуры нагревания.

Наиболее простым в техническом отношении является способ спекания с одновекторным приложением силы давления. Так, при спекании нанопорошка Fe под давлением ≤ 410 МПа Т° спекания, при которой показатель пористости является минимальным, понижается от 720 до 360°C, а Ø зерен в изделиях – от 1,3 мкм до 82 нм. Металлические нанопорошки спекают в вакуумной или восстановительно-газовой среде.

Более современной и универсальной технологией совмещения воедино стадий формования и спекания является метод горячего изостатопрессования (ГИП) с применением специальных установок – газостатов, где рабочее давление может достигать 320 МПа, а температура – 2200°C.

Еще одной распространенной технологией является высокотемпературная газовая экструзия, когда формовку, полученную путем гидростатического прессования, подвергают термообработке в водородной восстановительной среде при относительно невысокой температуре, а затем – экструдированию в повышенном температурном режиме. Применение данного метода обеспечивает возможность компактирования нанопорошков при непродолжительном воздействии высоких температур.

Известен также ряд способов создания порошковых наноматериалов, в основу которых заложен такой технологический процесс, как интенсивная пластическая деформация (ИПД), осуществляемый в условиях относительно низких температур и высокого давления. Такие условия применения деформационных воздействий позволяют эффективно и быстро измельчать частицы макроструктурных металлопорошков до наноразмерных параметров.

Наиболее популярны такие ИПД-технологии, позволяющие создавать объемные малопористые наноматериалы, как скручивание заготовки в условиях высокого давления и равноканальное прессование под углом 90° (рис. 11).

Рисунок 11. Основные методы ИПД: а – скручивание заготовки в условиях высокого давления, где 1,3 – верхний подвижный и нижний неподвижный пресс-бойки, а 2 – подвергаемая обработке заготовка; б – равноканальное прессование под углом 90°.

Метод скручивания заготовки в условиях высокого давления базируется на принципе наковален, когда помещенная между пресс-бойками гидропресса дисковидная заготовка, имеющая обычно Ø 12…22 мм и толщину 0,25…0,56 мм сжимается под давлением в несколько ГПа. При вращении верхнего подвижного бойка под воздействием сил поверхностного трения в заготовке происходит деформация сдвига. Структура материала заготовки начинает измельчаться уже после деформирования на четверть оборота и после 2-3 оборотов полностью трансформируется в ультрамелкозернистую с номинальным размером частиц 120…220 нм, в зависимости от химсостава обрабатываемого материала и условий деформирования – силы давления, температурного режима, скорости процесса и прочих значимых факторов.

Применение метода равноканального прессования под углом 90° позволяет создавать изделия более крупного масштаба, могущие достигать 70 мм в Ø и до 250 мм в длину. Данная технология также основывается на деформации сдвига, но уже путем не скручивания, а многократного продавливания исходного материала сквозь пару пересекающихся под прямым углом каналов специальной оснастки, круглые поперечные сечения которых имеют равные диаметры. Процесс, в зависимости от свойств деформируемого материала, может протекать даже в условиях комнатной температуры. Формируемая ультрадисперсная структура имеет нанозерна, размерные параметры которых могут варьироваться в пределах 220…520 нм.

В настоящее время разрабатываются и иные методы ИПД, например, путем всесторонней ковки и специальной прокатки.

1.5. Нанопористые материалы

Нанопористыми называют материалы пористой структуры с размером пор, варьируемым в нанометровом диапазоне 1…110 нм. (рис. 12)

Рисунок 12. Наноструктурные пористые материалы

Значительное количество мельчайших поровых канальцев с поперечным размером от 0,35…0,45 нм до нескольких мкм придает материалам нанопористой структуры особые физические свойства.

В соответствии с размерной классификацией Международного химического союза (ИЮПАК) все нанопористые материалы по номинальному Ø пор (R) условно подразделяют на классы:

• микропористых (R
• мезопористых (R 2,1…50,1 нм);
• макропористых (R >50,1 нм).

Класс микропор, в свою очередь, имеет следующие подклассы:

• супермикропоры (R 0,71…2,1 нм);
• ультрамикропоры (R 0.61…0,71 нм.).

По основному материалу и применяемым способам получения выделяют классы следующих основных нанопористых структур:

• керамических;
• металлических;
• полупроводниковых;
• полимерных;
• биологических.

Технологии производства пористых наноматериалов могут быть различными. Наиболее распространенными из них являются:

• метод гидротермального синтеза;
• золь-гель метод;
• методы электрохимического получения;
• метод обработки карбидов хлором и некоторые другие.

Изделия из поропроницаемых наноматериалосв находят применение в качестве фильтрующих элементов для механической очистки газовых и жидкостных сред, их аэрации, разделения, нагрева/охлаждения, обогащения, дозирования, регенерации и др.

Химическая, металлургическая, фармацевтическая и биотехнологическая промышленные отрасли сегодня не обходятся без применения едва ли не самых востребованных искусственных пористых наноструктурных алюмосиликатов – цеолитов, для получения которых используют специальные глины (рис. 13).

Рисунок 13. Цеолиты

На одной из технологических стадий материал подвергают специальной термической обработке с целью придания ему трехмерной нанопористой структуры со сквозными канальцами. При этом Ø пор может составлять 0,12…10,2 нм, в зависимости от количества атомов О в формирующих цеолиты цикличных кластерах. Это обуславливает возможность целевой «настройки» материала, обеспечивающей его способность поглощать те или иные молекулы либо осуществлять расщепление смесей в фильтрах мембранного типа.

Оптимизировать свойства нанопористых материалов невозможно без контроля структуры пор. Так, например, технология производства этилена с применением в качестве носителя Ag-катализатора пористого Al 2 O 3 (оксид Al) требует наличия в нем макропор с минимальными размерными отклонениями. Еще одним распространенным видом практического использования нанопористого Al 2 O 3 является процесс керамомебранной микрофильтрации. Однако типичные керамомембраны, изготавливаемые методом спекания ультрадисперсного порошка Al 2 O 3 , характеризуются малой проницаемостью из-за невысокой степени пористости. Поэтому высокопроницаемые мембранные фильтры создаются с задействованием золь-гель-поликонденсации или путем химического осаждения из паровой фракции – методами, используемыми, главным образом, в нанотехнологиях. Практическая значимость нанопористых веществ обусловлена как гиперактивностью за счет высокой удельной площади поверхности, так и возможностью сочетания с находящимися в мезопорах наночастицами. Их широко используют при изготовлении катализаторов для выхлопных систем ДВС, в разделении по фракциям нефти и других сложных жидкостей, в системах вентиляции и водоочистки, в различных энергосберегающих устройствах и т.д.

Наноструктурные покрытия

Нанесение на металлические поверхности защитно-восстановительных термобарьерных, износостойких, коррозионностойких и наноструктурированных покрытий (НСП) широко применяется с целью продления ресурса эксплуатации оборудования и аппаратуры в различных промышленных отраслях, включая нефтегазовую, горнодобывающую, авиационную, атомную, турбинную, перерабатывающую, машиностроительную, металлургическую, строительную и др.

Разработка и внедрение инновационных технологий в сфере создания и нанесения наноструктурных покрытий позволяет:

• придавать изделиям качественно новые уникальные эксплуатационные свойства, достижение которых иными методами не представляется возможным;
• достичь значительного экономического эффекта за счет снижения себестоимости продукции и энергосбережения;
• реализовывать стратегию импортозамещения, что особенно важно в условиях существующих экономических санкций.

Вот лишь некоторые примеры практического применения функциональных и защитных НСП.

В авиации:

• термозащита валов и лопаток турбин путем нанесения термостойких композитных НСП;
• нанесение износо- и коррозиестойких, твердосмазочных и других защитных нанопокрытий на детали авиадвигателей и элементы авионики;
• нанесение антиобледенительных НСП на поверхности корпусов, крыльев, лопастей воздушных винтов и т.д.;
• нанесение НСП взамен дорогостоящего и материалоемкого гальванического хромирования на компоненты шасси и гидроприводов летательных аппаратов;
• антикоррозийная защита топливных баков, других функциональных емкостей;
• антикоррозийная защита металлоконструкций объектов аэродромного хозяйства.

В машино- и двигателестроении:

• нанесение многокомпонентных антикоррозийных, термостойких, износостойких НСП на детали газорапределительного механизма и цилиндро-поршневой группы ДВС для повышения моторесурса;
• нанесение твердосмазочных, антисхватывающих, шумопоглощающих НСП на зубья шестерен и детали подшипников трансмиссионных и редукторных механизмов.

В атомной промышленности:

• нанесение многослойных композитных радиопоглощающих НСП на детали ядерных реакторов;
• антикоррозийные защитные НСП внутренних поверхностей крупногабаритных емкостей в инфраструктуре АЭС.

Другие отрасли:

• нанесение упрочняющих НСП на рабочие кромки металлорежущего, породоразрушающего и бурового инструмента;
• нанесение многокомпонентных антикоррозийных НСП на детали оборудования для химической промышленности;
• нанесение тончайших керамических нанопленок на внутренние поверхности труб и запорной арматуры, используемых при транспортировке агрессивных жидкостей;
• использование ультратонких керамопокрытий при изготовлении кабельно-проводниковой продукции, имеющей высокие электроизоляционные характеристики и значительный потенциал электропрочности.

1.6.1. Технология нанесения НСП
Исходными базовыми компонентами для НСП служат нанопорошковые материалы, а также ряд наносуспензий и золь-гелей, которые, будучи внесенными в состав защитных пленок, позволяют модифицировать их структуру с макро- до микроуровня, обеспечивая наличие необходимых новых свойств.

К настоящему времени многими отечественными предприятиями уже освоен выпуск оборудования для нанесения нанопокрытий не только такими традиционными способами, как электродуговая металлизация и газоплазменное напыление, но и новейшими физико-химическими методами, основные из которых представлены в табл…

Таблица 1. Современные методы создания наноструктурных пленок на базисе тугоплавких соединений

К настоящему времени в сфере технологических разработок по созданию и нанесению функционально-защитных НСП все чаще используются и такие новейшие методы, как добавление в состав сплава твердой аморфной фазы для минимизации размерных параметров структуры кристаллитов, нанесение полислойных НСП с наличием перемежающихся нанослоев, формирование нанопленок путем модификации напыляемых покрытий ионно-плазменным потоком с регулируемой энергетикой (т.наз. ионное асистирование) и другими способами, позволяющими осуществлять производство продукции новейших поколений с качественно оптимизированным соотношением параметров «стоимость/качество».

1.7. Практическое применение наноматериалов

Основные сферы применения наноматериалов приведены в табл…

Таблица 2. Основные сферы применения наноматериалов

Рассмотрим основные группы наноматериалов различного практического назначения.

Группа пористых наноразмерных структур (НРС) . Широкая номенклатура катализаторов, красителей, пористых сред, в т.ч. фильтров, химических энергоисточников и сенсоров – едва ли не самая востребованная продукция, получаемая с применением наноматериалов пористой структуры в химической и ряде других промышленных отраслей. Пористые НРС используют также при диффузионном разделении изотопов и сложных газовых смесей, составляющие которых различаются по молекулярной массе. Размерные параметры пор могут варьироваться в диапазоне 0,45 – 1,55 нм.

Группа наноматериалов, характеризуемых наличием специальныъх физических свойств – достаточно представительная группа НРС, с применением которых изготавливают магнитомягкие и магнитотвердые изделия; проводники, полупроводники и диэлектрики; широкий спектр комплектующих для лазерной, приборостроительной, контрольно-измерительной, электронно-вычислительной, атомной и других отраслей.

Группа магнитных наноматериалов . В последние десятилетия методом контролируемого преобразования аморфных структур в кристаллические были получены магнитомягкие материалы нового класса, обладающие статическими и динамическими свойствами более высокого уровня, нежели сходные по химсоставу макроструктурные материалы аналогичной сферы применения. Это, в частности, наносплавы на базисе Fe – Si – В с незначительными включениями Nb, Cu, Zr.

Группа нанопроводников отличается сочетанием высоких значений электропроводности/механопрочности. Особенно значимой в данном отношении является категория проводочных нанокомпозитов типа Сu–Nb, изготавливаемые методом совокупного холодного волочения прутков из данных материалов. Финишной продукцией является нанокомпозит Сu–Nb (18,2 мас. %) с номинальным Ø ниобиевых волокон ≈ 110 нм; имеющий прочность растяжения до 1,3 МПа, и электропроводность до 70 % в сравнении с тем же параметром чистого Сu.

Группа нанополупроводников . В процессе перехода полупроводниковых материалов от макро- к наноструктурам происходят сдвиг люминесцентных спектров в коротковолновый диапазон, расширение запретной зоны и прочие явления, весьма значимые в плане технического приложения. Так, например, композиты с полимерными матрицами и наполнителем из монокристаллических наночастиц CdSe могут быть использованы в производстве светодиодов, переключателей и сенсоров для лазерной аппаратуры.

Группа наноматериалов для атомной промышленности . Наноструктурированный пористый Ве используется в производстве тритийвоспроизводящих модулей бланкетов в установках для управляемых термоядерных реакций. Очень востребованы также устройства для отражения и размножения нейтронов из нанобериллия со степенью пористости 25…35 %. Нанокристаллические структуры, характеризуемые обилием способствующих удалению продуктов облучения поверхностей раздела, могут быть использовании при создании ТВЭЛов для атомных реакторов.

Группа наноматериалов медицинского, сельскохозяйственного и экобиологического назначения . Эффективное решение задач в системе здравоохранения невозможно без интенсивной разработки современных биоматериалов, в т.ч. обладающих наноразмерными параметрами. Такие материалы применяются, в частности, при создании:

• хирургического и диагностического оборудования;
• лекарственных веществ и биодобавок;
• искусственных компонентов для трансплантологии;
• минеральных и органических удобрений;
• защитных средств от оружия массового поражения.

Общее значение материаловедческих и технологических разработок по созданию и практическому применению наноструктурированных материалов трудно переоценить: их роль во всех сферах жизнедеятельности становится все более значимой буквально день ото дня.

2. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)

2.1. Общее понятие об СВС

В нормальных атмосферных условиях процесс горения являет собой проходящую с выделением тепловой и световой энергии экзотермическую химическую реакцию окисления того или иного горючего материала. Окислителем чаще всего выступает кислород (О2), а горючим материалом, или просто горючим – углерод (С) и углеродосодержащие вещества. При горении образуется факел пламени – огонь, в котором и сгорает смесь газа-окислителя с перешедшими в газообразное состояние частицами горючего. Вот почему данный классический процесс называют газопламенным горением.

Однако, как было установлено группой ученых из бывшего СССР еще в 1967 году, процесс горения может протекать и в иной форме, без образования огненного факела, когда твердое горючее вещество сгорает при высокой температуре, не переходя в газовый агрегатный фазис. Такая реакция безгазового горения, в ходе которой как базовые реагенты, так и финишные продукты пребывают в неизменно твердой фазе, был назван твердопламенным горением, или «твердым пламенем».

В реакцию твердопламенного горения вступают только тугоплавкие порошковые материалы, поэтому ее протекание возможно лишь в условиях высоких температур. Промышленная значимость данного процесса заключается в том, что его конечными продуктами являются химические вещества, также тугоплавкие, но характеризуемые целым рядом уникальных полезных физико-химических свойств, которыми не обладает ни один из исходных реагентов. Еще одной примечательной особенностью твердопламенного горения является его автоволновой характер: теплопередача, а значит, и синтез конечных продуктов реакции, происходит последовательно, самостоятельно распространяясь от слоя к слою исходной шихты. Отсюда и в наибольшей степени отражающее суть процесса его официальное название – самораспространяющийся высокотемпературный синтез, или, сокращенно, СВС.

СВС – явление недавно открытое и, в силу относительной новизны, во многом еще не изученное. Тем не менее, с применением метода СВС уже синтезировано множество промышленно ценных уникальных продуктов, те или иные виды которых находят практическое применение в самых разных производственных и потребительских сферах.

2.2. Сущность процесса СВС

Сущность явления СВС состоит в следующем: за счет тепловой энергии, генерируемой в ходе химической реакции, последовательно разогреваются соседствующие слои исходной шихты, формируя, таким образом, фронт спонтанно распространяющегося по веществу «твердого пламени». Скорость горения при этом может составлять от 0,55 до 15,5 см/сек. По мере распространения фронта синтезируются раскаленные и постепенно остывающие конечные продукты реакции СВС, представляющие собой целый ряд ценных в промышленном отношении новых тугоплавких соединений. Принципиальная схема процесса СВС и показана на рис. 14.

Рисунок 14. Высокотемпературный синтез в режиме волнового «твердопламенного» горения.

2.3. Реакции СВС

Нормальный ход реакций СВС возможен лишь в экзотермическом режиме. По своему характеру это, главным образом, реакции присоединения. Нередко процесс может сопровождаться выделением O 2 , CO 2 , или H 2 O в парообразном состоянии.

Чаще всего в СВС-процессах бывают задействованы исходные реагенты в виде тонкодисперсной порошкообразной шихты спрессованной или насыпной плотности.

Самыми распространенными типами реакций СВС являются:

• взаимореагирование простых элементов типа Al+Ni; Ti+C; Zn+S; Nb+C+N 2 и др.;
• взаимореагирование между простыми элементами и соединениями более сложного состава типа Al+CrO 3 ; KNO 3 +S);
• взаимореагирование между металлами и соединениями органического происхождения (Ti+гексамин);
• взаимореагирование между молекулами сложных неорганических (напр. оксиды металлов) и органических соединений.

В схематичной форме реакция СВС интерпретируется следующим образом: горючее + окислитель = конечные продукты + тепловыделение.

В качестве горючего могут выступать такие элементы, как, например, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Mo, W и т.д., окислителя - О 2 , N 2 , H 2 , С, В, Si, S, Se и т.д., конечных продуктов - соединения карбидной, боридной, силицидной, нитридной групп.

Необходимыми предпосылками инициализации СВС-процессов являются высокая теплотворная способность исходных реагентов и тугоплавкость конечных продуктов, которые в условиях высоких температур твердопламенного горения должны пребывать в твердом состоянии. В последние годы внимание ученых направлено на изучение и т. наз. «жидкого пламени» - разновидности процесса СВС, конечные продукты которого в условиях температуры горения являют собой жидкий расплав, затвердевающий по мере остывания.

Особенности протекания СВС-реакций могут различаться в зависимости от химсостава исходной шихты. Так, температурный режим может варьироваться в пределах 850…4500°С, а скорость протекания - от одной сотой до нескольких сотен см/с (рис. 15).

Рисунок 15. Ряд спектров свечения в ходе СВС (с интервалом ≈ 0,33 с): La0, 6Ca0, 4MnO 3 . (Т°max и скорость протекания реакции, соответственно, 1645°С и 3,56 см/с).

Таким образом, реакция СВС, будучи искусственно инициирована в начальной точке, затем спонтанно протекает в волновом режиме, когда синтез конечного продукта последовательно сосредотачивается в перемещающейся активной зоне. За доли секунды Т° горения возрастает до 1000°С и более, а в волне реакции образуются химически чистые структурно однородные вещества.

2.4. Технологии СВС

Сам по себе принцип технологии СВС предельно прост и состоит из 3 следующих основных этапов:

• I – подготовка и формование исходной шихты в режиме комнатной температуры;
• II – инициация экзотермической реакции путем поджига;
• III – послойное спонтанное протекание реакции «твердопламенного» горения с синтезом конечных промышленно ценных продуктов;
• IV – финишная переработка конечного продукта путем очистки, измельчения, рассева и других операций.

Последовательность этапов процесса СВС и образцы получаемых конечных продуктов представлены на рис. 16.

Рисунок 16. Последовательность этапов процесса СВС и получаемые конечные продукты.

Инициация процесса осуществляется путем внешнего точечного воздействия на поверхностный слой спрессованной шихтовой заготовки кратким тепловым импульсом мощностью 15-25 кал/см2 и температурой 1200-1500°С (обычно прикосновением раскаленной электрической спирали из вольфрама).

Новейшей технологической разработкой в области СВС является метод теплового взрыва. Его отличительной особенностью является не инициирование реакции путем поверхностного точечного поджига, а прогрев сформованной исходной шихты по всему объему до температуры, необходимой для начала химической реакции. При этом, в зависимости от того, каким образом соотносятся между собой определяющие параметры, точка температурного максимума образуется либо в центральной части заготовки, либо ближе к поверхности, индуцируя мгновенное возгорание (тепловой взрыв) всего объема исходного вещества, которое практически мгновенно преобразуется в конечный продукт.

2.4.1. Преимущества СВС-технологий
К настоящему времени можно выделить следующие основные преимущества СВС-технологий в сравнении с традиционной электрометаллургией:

• незначительная энергоемкость: не возникает потребности в значительных энергозатратах, поскольку протекание процесса осуществляется за счет внутреннего энергетического потенциала исходных реагентов;
• СВС-процесс характеризуется высокой производительностью, главным образом вследствие того, что синтез протекает в режиме короткого промежутка времени (от 1 до 80 секунд) и высокой скорости, в десятки раз превышающей величину данного параметра в аналогичных техпроцессах;
• экономичность: вследствие дешевизны исходных реагентов (например, оксиды металлов) и применяемого оборудования получаемая продукция отличается малой себестоимостью.
Кроме того, весьма значимым достоинством СВС-процессов является их безопасность:
• благодаря подбору исходных реагентов в строго регламентированных стехиометрических соотношениях в ходе реакции не образуется побочных газов, что делает процесс взрывобезопасным;
• экологическая нейтральность: технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза не наносят ущерба окружающей среде.

2.4.2. Практическая значимость технологий СВС
Открытие явления СВС позволило во многом изменить и кардинально расширить горизонты традиционных представлений о процессе горения, благодаря чему возникло новейшее направление в науке – структурная макрокинетика.

Посредством СВС удалось получить большое количество инновационных материалов, которых сегодня насчитывается уже несколько тысяч наименований. Это преимущественно боридные, карбидные, нитридные, сульфидные, силицидные, оксидные, гидридные, интерметаллидные и некоторые другие неорганические тугоплавкие композиции. Сравнительно недавно методом СВС стали получать также материалы органического генеза.

Наличие у таких материалов множества полезных свойств (термостойкость, высочайшая прочность, электро- и теплопроводность, устойчивость к износу и многие другие) обусловило возможность применения изделий из них во многих промышленных отраслях. Металлорежущий и абразивный инструментарий, огнеупорные ферросплавы и ферромагнетики, промышленная керамика, изоляторы, полупроводники, проводники и сверхпроводники, футеровочные панели для доменных и мартеновских печей, функциональные покрытия, твердые смазки, различные герметики и клеи, медицинские имплантанты – вот лишь небольшая часть широчайшего спектра практического использования СВС-материалов, который неуклонно ширится, обогащаясь все новыми инженерными разработками.

Особенно перспективным является применение метода СВС с целью непосредственного получения компактированных изделий с набором заданных эксплуатационных свойств. Воздействуя различными способами на процесс твердопламенного горения синтезируют группу уникальных безвольфрамовых инструментальных материалов, незаменимых при изготовлении активных поверхностей металлорежущего инструмента, прокаточных валков, штампов, пресс-форм, буров, шарошек, лопаток турбин и т. п. Оригинален способ СВС-сварки, позволяющий получить исключительно прочные соединения таких тугоплавких металлов, как W, Mo, Nb, Та и др. Используя методы СВС, выполняют также модификацию поверхностей различными по химсоставу и назначению защитными покрытиями.

2.5. СВС наноматериалов

Получение ультрадисперсных материалов на базе порошковых миксов
СВС-процессы характеризуются протеканием твердопламенного горения в диффузионном режиме. В ходе взаимодействия пары твердых реагентов на зернах одного из них происходит нарастание сплошного разделительного слоя синтезируемого конечного продукта. Скорость реакции при этом определяется характером диффундирования второго реагента сквозь толщу разделительного слоя. Поскольку же общий удельный объем частиц в составе разделительного слоя продолжает оставаться почти неизменным, размерные характеристики зерен нового продукта, образующихся на границе раздела, мало чем отличаются от аналогичных параметров зерен исходных реагентов. Вследствие высокого диффузионного сопротивления контактирующих межзеренных поверхностей практически не наблюдается и рекристаллизация зерен. А это, в свою очередь, означает, что для получения наноразмерных конечных продуктов методом СВС требуется использование наноразмерных исходных реагентов.

2.5.1. Газофазный СВС для получения наночастиц
Особую промышленную значимость имеет т. наз. газофазный СВС-процесс с применением в качестве исходного реагента различных газовых смесей и образованием финишной фракции в форме конденсируемых наноструктур. Мельчайшие частички продукта, вступая в реакцию, срастаются и постепенно укрупняются, образуя своеобразные «зародышевые гнезда». Такие «гнезда» увеличиваются до тех пор, пока исходные реагенты полностью не преобразуются в синтезируемый продукт. Процесс можно прекратить искусственным путем на любой стадии синтеза, расширив объем реакционной газовой смеси, подвергнув ее быстрому остыванию (закалке) и регулируя, таким образом, размерные характеристики частиц осаждаемого конденсата до необходимых нанопараметров. Остывая, синтезируемые наночастицы твердеют и выпадают в виде нанопорошков, используемых в различных промышленно-технологических целях, в частности, для плазменного нанесения функциональных пленочных нанопокрытий на металлические и неметаллические поверхности.

2.6. Актуальность

По мере научного изучения сути и особенностей СВС расширяется и спектр его возможностей. Разрабатываются и внедряются все новые СВС-технологии, обуславливая возможности получения ценнейших инновационных продуктов с уникальными физико-химическими свойствами. Таким образом, можно с уверенностью констатировать, что метод СВС является весьма перспективным и его ожидает большое будущее.