Уменьшение геометрических размеров металлопродукции и выдвижение более жестких требований к их качеству ставят задачу создание нового прогрессивного (микро-) оборудования и соответствующих прецизионных технологий, которые заменят существующее (макро-) оборудования и технологии.
Разработка новых материалов для инструмента
В данной сфере достигнуты следующие результаты:
• сверхтвердый режущий инструмент нового поколения из нанопорошка кубического нитрида бора (наноКНБ);
• после экспериментов с материалами с различным соотношением вольфрама, никеля и азота исследователям удалось получить нанокристаллический сплав, прочность которого оказалась существенно выше, чем у обычного никель-вольфрамового сплава;
• инструменты на основе наноструктурированного композиционного материала из диоксида циркония превосходят стальные аналоги в остроте и надёжности;
• создание промышленного производства высокоэффективного мелкорежущего инструмента с использованием самосмазывающего наноструктурированого твердого покрытия.
Разработка новых материалов для производства металлопродукции с уникальными свойствами на основе традиционных металлов
Наноразмерные структуры конструкционных материалов открывают уникальные возможности для получения нового уровня свойств: высокой прочности, твердости, износостойкости при достаточно высокой пластичности. В последние годы наметились новые пути повышения свойств конструкционных материалов за счет целенаправленного формирования микро- и нано-кристаллической структуры:
- традиционные системы упрочнения конструкционных материалов имеют пределы, поскольку они одновременно снижают пластичность этих материалов и делают их хрупкими. При наностуктурировании конструкционных материалов не только существенно увеличивается их прочность, но и сохраняется пластичность. Например, их микротвердость в 2-7 раз выше, чем твердость крупнозернистых аналогов, причем это не зависит от метода получения материала. Так, износостойкость алюминиевых сплавов с нанокристаллической структурой значительно выше, чем крупнозернистых;
- наноструктурный чистый титан, полученный методом интенсивного пластического деформирования (ИПД), имеет более высокие прочностные свойства (σВ = 1100 МПа) и близкие значения пластичности (δ=10%). Такие сплавы нового поколения найдут широкое применение при создании атомных реакторов для подводных лодок, магистральных трубопроводов и других конструкций, работающих в экстремальных условиях;
- еще одно перспективное направление – получение легких материалов высокой прочности, позволяющих увеличивать полезные нагрузки на транспорте и экономию топлива; новый алюминиевый сверхпрочный сплав на базе широко известной марки 7075 (сплав 7075 – самый прочный из всех алюминиевых сплавов: он включает в себя цинк и магний и широко используется в аэрокосмической промышленности);
- композиционный материал на основе наноструктурированных кристаллов частично стабилизированного диоксида циркония, он обладает очень высокой трещиностойкостью и хорошим сочетанием триботехнических и прочностных характеристик, повышающих надёжность и ресурс работы узлов трения. Были созданы заготовки фильеров для получения проволоки, втулки подшипников скольжения, медицинские скальпели;
- разработана технология азотирования сплавов никеля и вольфрама (Ni-W). Образование нитридов приводит к заметному повышению износостойкости и твёрдости сплава. Нанокристаллические никель-вольфрамовые сплавы могут применяться для изготовления лопаток турбин, штампов горячей ковки, подшипников;
- создана оригинальную наносталь, разработанная для повышения мощности ядерных реакторов на энергоблоках на 30-40%. Новая разработка позволит увеличить проектный срок службы корпуса реактора стационарной АЭС до 100 лет и более. В тоже время, при сохранении проектного срока службы корпуса реактора в 60-80 лет, появляется возможность увеличить мощность энергоблока на 30-40%. Использование усовершенствованной стали при изготовлении корпусов реакторов АЭС позволит существенно повысить доход от проектной выработки электроэнергии и снизить себестоимость 1 кВт-часа электроэнергии, уменьшить радиационную нагрузку на окружающую среду и снизить затраты на утилизацию отработавших ресурс корпусов реакторов за счет уменьшения количества утилизируемого металла;
- введение в состав алюминия фуллереновой формулы, которая представляет собой шар из 60 атомов углерода, в 3 раза повысило его прочность, при этом значительно снизив вес. Помимо этого, «оптимизированный» металл становится незаменимым при изготовлении сверхпроводящих кабелей, сохраняя при уменьшении в диаметре возможность выдерживать очень сильную силу тока;
- разработан состав экологически безопасной коррозионностойкой стали для ортопедической стоматологии взамен применяемых в настоящее время никельсодержащих сталей и сплавов;
- такие хрупкие материалы, как интерметаллиды, становятся пластичными при уменьшении размеров зерен ниже критических размеров, что можно объяснить наличием специфических механизмов зарождения и распространения микротрещин;
- наноструктурные материалы, обладающие повышенными прочностными и магнитными свойствами, можно получать и из аморфных сплавов посредством низкотемпературного отжига. Наноструктура может состоять только из кристаллитов или из смеси наноразмерных кристаллов и аморфной фазы;
- разработан и уже производится новый пластически деформируемый магнитотвердый сплав на основе системы Fe-Cr-Co с пониженным содержанием Co (7-8%), не уступающий по своим магнитным свойствам наиболее распространенному на сегодняшний день литому сплаву ЮНДК 24 (постоянные магниты на основе сплава Al-Ni-Co-Fe);
- разработаны бронзы серии Supralloy, основным отличием которых от стандартных является величина зерна: она снижена с 8 до 3 мкм. Благодаря этому бронзы получили более высокую механическую прочность, отличную деформируемость при сохранении электропроводности. Бронзы успешно заменяют в ряде случаев дорогостоящие специальные сплавы. Основные области применения – автомобилестроение и техника связи.
Использование технологических и металловедческих приемов
Работы по наноструктурному металловедению проводятся в ряде российских университетов и институтов. В ЗАО «Северсталь» ведутся поисковые работы по разработке и использованию специальных сталей для работы в экстремальных условиях и нагрузках, а также по влиянию нанопорошков тугоплавких соединений (нитридов, карбидов) на повышение механических и эксплуатационных свойств штрипсовых и конструкционных марок сталей. Приводим некоторые примеры реальных результатов:
– микролегирование переходными элементами (Sc, Zr, Hf и др.) с целью создания наноразмерных частиц фаз (Al3Sc, Al3Zr, Al3Hf), обеспечивающих дополнительное упрочнение путем торможения движения дислокаций и сохранения нерекристаллизованной субзеренной структуры;
– многоступенчатая термическая обработка, в результате которой максимальный эффект (дисперсионное упрочнение) достигается в результате оптимизации морфологии и объемной доли наноразмерных выделений метастабильных упрочняющих фаз типа Al2Cu, Al2CuMg, Mg2Si, MgZn2;
– создание термически стабильных наноразмерных композитных частиц метастабильных фаз в Al-Li сплавах (Al3Li/Al2Cu, Al3Li/Al3Zr, Al3Li/Al3Sc). Элементы наноструктуры могут занимать и относительно небольшой объем материала, обеспечивая при этом требуемый уровень свойств и выполняя основную функциональную нагрузку. Возможно формирование однофазных наноразмерных зерен, занимающих весь объем материала. Уменьшение размера зерен в области наномасштаба увеличивает прочностные свойства в несколько раз.
