Материаловедческие предпосылки перевооружения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образовательного
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ (МАМИ)»
/УНИВЕРСИТЕТ МАШИНОСТРОЕНИЯ/
Волков Г.М.
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИИ
«Материаловедческие предпосылки
перевооружения отечественного машиностроения»,
завершающей изучение курса «Материаловедение»
для студентов всех специальностей и направлений
машиностроительного профиля
Одобрено методической комиссией по направлению:
150700.68 – «Машиностроение»
МОСКВА
2013
Разработано в соответствии с Федеральным Государственным образовательным
стандартом ВПО 2009 г. для направления 150700.68 – «Машиностроение»
Рецензенты:
Заведующий кафедрой «Технология машиностроения» Университета машиностроения
проф. Б.В. Шандров
Профессор кафедры «Экология и безопасность жизнедеятельности» Университета
машиностроения проф.,докт.техн.наук Б.Б. Бобович
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИИ «Материаловедческие предпосылки перевооружения
отечественного машиностроения», завершающей изучение курса «Материаловедение»
для студентов всех специальностей и направлений машиностроительного профиля
/ Волков Г.М. – М.: Университет машиностроения, 2013. 25 с.
Рассмотрены конструкционные материалы нового поколения, свойства которых
многократно превышают мировой уровень в результате реализации потенциальных
возможностей наноразмерного состояния вещества. Рассматриваемые материалы
рекомендуются для создания принципиально новой машиностроительной продукции с
техническими характеристиками выше мирового уровня.
Рассмотрены также новые материаловедческие технологии санации изношенных машин
и технологического оборудования действующих промышленных предприятий.
 Волков Г.М.
2013.
 Университет машиностроения, 2013.
2
Введение
Вследствие всем известных причин в России сложилась такая экономическая ситуация,
что как промышленные предприятия, так и население с переменным успехом эксплуатируют
огромный парк изношенной техники самой различной номенклатуры. Большинство экспертов сходятся во мнении, что степень изношенности техники практически всех отраслей промышленности составляет от 60 до 80 и более процентов.
В этих условиях, видимо, следует удивляться не количеству участившихся в последнее
время технических аварий, иногда с катастрофическими последствиями, а тому, что донельзя
изношенная техника хоть как-то работает. С другой стороны, это еще раз подтверждает беспрецедентную живучесть производственных машин и технологического оборудования, изготовленных в свое время промышленностью СССР. Хрестоматийный пример высокого качества советских разработок в течение многих лет представляют всему миру выдающиеся технические характеристики и непревзойденные эксплуатационные показатели легендарного автомата М.Т. Калашникова. Или легендарный танк Т-34, заслуженно признанный лучшим
танком времен второй мировой войны.
Технический уровень машиностроительной отрасли является классическим диагностическим признаком промышленно-развитого государства. Состояние отечественного машиностроения и перспективы его развития вызывают в этом плане серьезные опасения. Для сохранения нашей страной статуса промышленно-развитой державы необходимо незамедлительное, до наступления неуклонно приближающейся точки невозврата, перевооружение отечественного машиностроения конкурентоспособной техникой [1].
Однако машины и оборудование, производимые большинством предприятий отечественных отраслей массового машиностроения, в частности, автомобиле- и тракторостроения,
по технико-экономическим характеристикам в большинстве случаев уступает и в настоящее
время не может конкурировать с продукцией зарубежного производства. Отсутствие современного машиностроительного комплекса, способного производить конкурентоспособную
технику массового потребления, тормозит многократно декларированную диверсификацию
экономики, Россия постепенно превращается в сырьевой придаток промышленно развитых
стран.
Закупка импортной техники или ее сборка на российской территории из импортных
комплектующих также не решает проблему, это ставит нашу промышленность в невыгодное
положение вечно догоняющего. В настоящее время даже замена импортных составляющих
на детали российского производства часто встречает серьезные затруднения вследствие низ3
кого качества аналогов, выпускаемых нашими заводами. Новейшую технику следующего
поколения, основанную на использовании принципиально новых материалов иностранного
производства, опять будем вынуждены пытаться закупать за рубежом. Однако нам ее никто
не продаст. Иностранный производитель не заинтересован в передаче на дочерние предприятия своих последних разработок, новинки он будет дорабатывать и производить на головном
предприятии. Они будут предложены нам только после того, как серийный выпуск данной
продукции окупит все затраты и принесет запланированную норму прибыли.
Только наличие адекватных условий для нормального функционирования полного цикла создания новой техники, включая НИР, ОКР и производство, позволит отечественному
машиностроению производить конкурентоспособную продукцию. Отсутствие этих предпосылок (резкое падение престижа технического образования населения не позволяет комплектовать квалифицированными кадрами научно-исследовательские организации, конструкторские бюро и производственные предприятия; моральный и физический износ основного производственного оборудования предприятий машиностроительного комплекса и др.) вынуждают обратиться к поиску альтернативных путей решения рассматриваемой проблемы.
Рассмотрим возможность компенсировать недостатки инфраструктуры машиностроительного комплекса, что не позволяет нашим творцам создавать конкурентоспособные технические изделия из существующих материалов, многократным повышением уровня конструкционных свойств машиностроительных материалов. Мы полагаем, что для создания
конкурентоспособной машиностроительной продукции необходимы материалы нового поколения, конструкционные свойства которых будут многократно превышать существующий
уровень. Только такие материалы могут компенсировать хроническое отставание технического уровня продукции отечественных отраслей массового машиностроения и обеспечить
технико-экономические преимущества вновь создаваемых машин перед их зарубежными
аналогами.
Материалы конструкционного назначения в течение всего рабочего ресурса машиностроительной продукции должны сохранять на допустимом пределе эксплуатационные характеристики в условиях воздействия на материал механических нагрузок и температуры. Не
менее важным показателем конструкционных материалов является возможность восстановления работоспособности изготовленных из них изношенных деталей. Поэтому в лекции
рассматриваются следующие вопросы материаловедческого обеспечения работоспособности
машиностроительных материалов конструкционного назначения:
- прочность,
- жаростойкость,
- санация.
4
1. Прочность
Анализ экспериментальных работ по модификации наиболее широко применяемых в
машиностроении металлических материалов показывает, что традиционные способы повышения их технических характеристик практически исчерпали себя. Возможный успех технологических проектов по многократному повышению прочности материала блокируется столь
же резким снижением его пластичности. Аналогичные проблемы с повышением уровня
свойств конструкционных материалов традиционными способами отмечены и в других
областях материаловедения. Можно предположить, что в обозримом будущем от традиционных способов модифицирования конструкционных материалов трудно ожидать революционного изменения уровня потребительских свойств материалов, хотя эволюционное улучшение
их технических характеристик неизбежно.
Для выхода из данного технологического тупика обратимся к достижениям фундаментальных наук. Предлагаемый подход к достижению поставленной цели основан на реализации потенциальных возможностей наноразмерного состояния вещества.
Научные предпосылки
К наноразмерным принято относить дисперсные частицы вещества или дискретные
элементы структуры материала, если их геометрические размеры хотя бы в одном измерении
не превышают 100 нм. Однако верхний предел наноразмерных элементов структуры материала принят равным 100 нм лишь в качестве условного, ничем не обоснованного, классификационного параметра. На самом же деле только реальное значение максимальной величины
структурных элементов может служить фактической, а не условной границей между микросистемой, характерной для материалов традиционной технологии, и наносистемой, получаемой по нанотехнологии. Данный вопрос представляет не только теоретический интерес, но
имеет и большое прикладное значение.
Большинство свойств вещества зависит от энергетического состояния его атомов в
объеме и на поверхности раздела фаз. Внутренние атомы испытывают равномерное воздействие окружающих атомов и равнодействующая сил атомарного взаимодействия практически равна нулю. Силовое поле внешних атомов не полностью уравновешено взаимодействием
с соседними атомами, их избыточная энергия переориентируется на взаимодействие с внутренними и соседними периферийными атомами (усиление взаимодействия периферийных
атомов на схеме условно обозначено двойными стрелочками (рис.1в). В таком состоянии будут находиться все атомы на поверхности раздела фаз, образуя поверхностный слой, свойства которого будут резко отличаться от свойств самой фазы. Это явление многократно подтверждено экспериментально на многих веществах.
5
Рис.1. Формирование нетривиальных свойств поверхностного слоя при диспергировании
вещества: а – фрагмент исходного вещества; б – формирование избыточной энергии атомов
(1), очутившихся на поверхности раздела фаз А-В; в – переориентация ненасыщенных связей
атомов (1) на взаимодействие с соседними атомами (2) в объеме вещества (вещество выделено штриховкой, силовое поле атомов обозначено стрелочками)
Если вещество находится в жидком состоянии, то избыточная энергия атомов на его поверхности реализуется в поверхностном натяжении. Равнодействующую сил, втягивающих
атомы поверхностного слоя внутрь жидкости, отнесенную к 1 см
поверхности и
направлен-ную перпендикулярно поверхности раздела, называют внутренним давлением
жидкости. Оно достигает значительных величин, например, для воды внутреннее давление
жидкости состав-ляет 11000 атмосфер. Воздействие таких огромных сил на поверхностные
слои
вещества
объясняет
повседневно
наблюдаемые
необычные
свойства
водной
поверхности, например наличие поверхностного натяжения нам наглядно демонстрируют
свободно скользящие по поверхности воды жуки-водомерки.
В случае твердого тела аналогичное воздействие неуравновешенных сил взаимодействия атомов, находящихся на поверхности раздела с другой фазой, также приводит к формированию избыточной поверхностной энергии. Однако наличие поверхностной энергии твердых тел менее заметно, не имеет наглядного подтверждения и в обыденной жизни обычно не
учитывается. Хотя силы атомарного взаимодействия в твердом теле значительно выше, о чем
можно судить по соотношению прочности жидкость-твердое тело: жидкость практически не
имеет прочности, а прочностные показатели твердых тел достигают значительных величин.
6
При последовательном увеличении степени дисперсности* твердого вещества путем
его диспергирования (или уменьшения степени дисперсности в процессе фазовой перекристаллизации) дисперсная частица достигает определенного размера, когда влияние избыточной энергии периферийных атомов на свойства вещества уравновешивает влияние внутренних атомов. Этот размер, который мы обозначим как d кр., является критическим параметром нанотехнологии. Он может служить четким критерием величины наночастиц или дискретных элементов структуры материала, позволяющим очертить границы нанотехнологии.
Если размер дисперсных частиц больше d кр. комплекс физических и химических свойств вещества частиц не отличается от свойств вещества в макрообразце. Здесь действуют закономерности классической физики. При размере дисперсных частиц меньше d кр. начинают проявляться законы квантовой механики. Влияние ненасыщенных связей периферийных
атомов начинает преобладать над влиянием внутренних атомов, вследствие чего вещество
дисперсных частиц приобретает другие свойства, отличающиеся от свойств вещества в макрообразце. В данном случае количественная разница в размерах дисперсной частицы переходит в качественное отличие свойств вещества. Дисперсная частица переходит в новое качество: она становится наночастицей. Свойства вещества наночастицы многократно превосходят
свойства макрообразца из того же самого вещества.
Для успешной реализации потенциальных возможностей наноразмерных частиц вещества в потребительских свойствах объемного материала необходимо определить величину
d кр. и разработать технологические принципы получения и компактирования дисперсных
частиц фракции (- d кр. + 0) нм.
Теоретическая часть
Для разработки теоретических положений выбран углерод, что представляло теоретический и практический интерес.
Количество известных химических соединений углерода многократно превышает суммарное количество соединений всех остальных элементов таблицы Д.И.Менделеева. Это соотношение существенно возросло после открытия фуллеренов, углеродных нанотрубок и их
производных. Можно предполагать, что теоретические положения, полученные с использованием в качестве модельного химического элемента углерода, будут применимы и для других химических элементов.
* Тонкое измельчение твердого вещества называют диспергированием. Продуктом диспергирования являются дисперсные частицы вещества. Геометрические размеры частиц характеризуют степенью дисперсности – это обратная величина размера частицы в сантиметрах.
7
Наибольший практический интерес представляет углерод в аллотропной модификации
графита: только он выделяется среди всех известных химических элементов и их соединений
способностью оставаться в твердой фазе и сохранять прочность при температурах выше
4000С и только на его основе создано крупнотоннажное производство углеродных материалов конструкционного назначения. Они незаменимы в современной металлургии, электроэнергетике, химии, машиностроении, ракетно-космической технике, атомной энергетике и во
многих других технологических процессах новой техники.
Теоретическое значение d кр. определили путем экстраполяции соотношения индексов
свободной валентности периферийных и внутренних атомов углерода конденсированных углеводородов ароматического ряда к кристаллической решетке графита, рассматриваемого
как крайний член гомологического ряда ароматических углеводородов. Экстраполяция основана на идентичности элементарной кристаллической ячейки моноатомарного слоя графита,
который после трудов лауреатов Нобелевской премии 2010 г. наших соотечественников
А.Гейма и К.Новосёлова получил название графен, и структурной единицы молекул конденсированных ароматических углеводородов. Полученное по данной методике значение d кр.
составляет около 10 нм [2].
Размер дискретных элементов структуры углеродного наноматериала по результатам
многолетних испытаний контрольных образцов сдаточных партий производственной продукции составляет 9,2 нм, что удовлетворительно согласуется с теоретическим значением.
Технология
Наиболее массовым продуктом современной нанотехнологии являются нанопорошки
[3], производители которых предпочитают называть их наноматериалами. Однако они являются таковыми только по названию. На самом деле они состоят из дисперсных частиц размером до 100 нм, которые практически никак не связаны между собой. Использовать их в качестве конструкционного материала машиностроительного назначения невозможно.
Для практического использования в реальных конструкциях дискретные наночастицы
необходимо компактировать в объемный материал. Технология компактирования включает в
себя большое количество операций, что резко увеличивает продолжительность и стоимость
технологического цикла производства конечного продукта - объемного материала с добавкой
наночастиц, делая возможность его промышленного применения дискуссионной. В качестве
примера на рис.2а представлена технологическая схема получения объемного материала системы углерод-углерод с добавкой наночастиц. Отметим также, что по технологическим причинам в объемный материал не может быть введено более 10 % наночастиц, а на практике
эта величина существенно ниже.
8
а
б
Рис.2. Технология объемных материалов системы углерод-углерод
По предлагаемой технологии объемный углеродный наноматериал получают путем
связывания наночастиц углерода углеродной матрицей. Наноразмерный наполнитель формируется одновременно с матрицей в одном и том же химическом реакторе, т.е. технология
является моностадийной: в реактор поступает углеродсодержащее сырье, а из реактора выходит готовый продукт – объемный углеродный наноматериал. Этим предлагаемая технология (рис.2б) принципиально отличается от принятой в мировой практике традиционно многостадийной технологии компактирования наноразмерного наполнителя.
Рис.3. Моностадийное формирование наночастиц и связывающей их матрицы объемного
композиционного материала системы углерод-углерод: a, b, c – теоретическая модель;
а – матрица; b – наночастицы; с – схема связывания наночастиц матрицей; d – структура
реального объемного углеродного наноматериала
9
Как следует из теоретической схемы формирования и реальной структуры полученного
по предлагаемой технологии наноматериала (рис.3), наночастицы связаны друг с другом
прослойками матрицы наноразмерного диапазона, т.е. он является 100 % обьемным наноматериалом.
Технология объемного углеродного наноматериала (BCN)** экспериментально отработана в производственных условиях на пластинах, трубах и натурных изделиях с габаритными
размерами до 200 мм.
Технический потенциал
По прочностным показателям BCN в 3 и более раз превосходит лучшие марки углеродных материалов традиционной технологии. Он хорошо обрабатывается механически. Высокая механическая прочность в сочетании с наноразмерными дискретными элементами структуры позволяет изготавливать из него детали сложной геометрической формы с острыми
кромками, полированными до высокого класса чистоты поверхности. Данная особенность
BCN представляет интерес для изготовления из него деталей точной механики.
Рис.4. Удельная прочность высокотемпературных материалов: 1 – углеродный наноматериал,
2 – вольфрам
Высокотемпературное поведение BCN имеет аномальный характер. Машиностроители
хорошо усвоили, что прочность всех материалов конструкционного назначения с повышени** Bulk Carbon Nanomaterial, более подробно см.[4].
10
ем температуры падает. Однако прочность BCN с повышением температуры увеличивается,
а по высокотемпературной удельной прочности он превосходит вольфрам (рис.4)
Поэтому одним из направлений технико-экономически эффективного применения BCN
в машиностроении является использование его уникальных высокотемпературных свойств.
В сочетании с другими, не менее уникальными, особенностями его технологии, структуры и
свойств BCN позволяет создавать машиностроительную продукцию с техническими характеристиками выше мирового уровня.
Плотность BCN не превышает 2,0 г/см³ при гарантированном значении для производственной продукции не менее 1,8 г/см³. Высокие показатели удельной прочности в сочетании с
повышенными высокотемпературными свойствами позволяет рекомендовать BCN для изготовления деталей тепловых машин летательных аппаратов.
Характерной особенностью BCN являются его низкие эмиссионные свойства: по стойкости к катодному распылению он в 15 раз превосходит лучшие марки современных углеродных материалов традиционной технологии (рис.5).
Рис.5. Коэффициент катодного распыления углеродных материалов при облучении протонами с энергией 10 кэВ: 1 – углеродный наноматериал, 2 – современные углеродные материалы
Наличие промышленной технологии позволило реализовать отмеченные выше уникальные свойства и технический потенциал BCN в самых смелых проектах человечества.
Современная цивилизация основана на использовании электроэнергии, сырьевые источники производства которой ограничены. Альтернативой энергетическому голоду считают
11
производство электроэнергии в процессе синтеза ядер химических элементов, который осуществляется в термоядерных реакторах.
Применение BCN позволило существенно улучшить технико-экономические показатели термоядерных реакторов типа Токамак. BCN заменил сплав вольфрам-рений в конструкции диафрагмы термоядерного реактора. Диафрагма из BCN в течение многих лет эксплуатации термоядерных реакторов типа Токамак серии Т-4, Т-3М, Т-7 и последующих модификаций успешно ограничивала рабочее тело реактора из дейтерий-тритиевой плазмы с температурой около 100 млн. град. Она успешно выдержала 8000 рабочих циклов работы термоядерного реактора без следов разрушений.
Замена сплава вольфрам-рений на BCN обеспечила уменьшение потери мощности на
излучение плазмы в 3 раза, увеличение количества полезных имульсов в 5 раз и снижение
интенсивности рентгеновского излучения в 20 раз. В пересчете на применение BCN в качестве материала первой (обращенной к водородной плазме) стенки термоядерного реактора
электростанции тепловой мощностью 5 тыс. МВт это означает выработку дополнительного
количества бесплатной электрической энергии в объеме 10 млрд. КВт.ч/год.
Производственной опыт эксплуатации термоядерных реакторов типа Токамак дает
представление о потенциальных возможностях улучшения технико-экономических показателей современных тепловых машин за счет реализации высокотемпературных свойств BCN.
Уникальные свойства BCN представляют интерес и для традиционного машиностроения. Наиболее очевидные технические приложения имеют его антифрикционные свойства.
По коэффициенту трения в жидких средах BCN в 5 раз превосходит лучшие марки
углеродных материалов антифрикционного назначения традиционной технологии (рис.6).
Рис.6. Коэффициент трения антифрикционных материалов в режиме торцевого уплотнения
воды при скольжении по стали 30Х13: 1 – углеродный наноматериал, 2 – лучшие марки
антифрикционных графитов
12
В режиме сухого трения BCN не имеет следов износа после 5000 циклов пуск-останов в
жестких условиях разгона до критической скорости вала газодинамического подшипника и
аварийного торможения (рис.7). По износостойкости в этих условиях он многократно превосходит хорошо зарекомендовавшие себя в других областях лучшие виды антифрикционных материалов: бронзы, антифрикционные сплавы, корундовую керамику. Высокая износостойкость BCN обеспечивает минимальное значение коэффициента трения при трогании с
места вала на газодинамических опорах после аварийного торможения. Его важным преимуществом является отсутствие схватывания с металлической поверхностью вала при кратковременном касании его в аварийной ситуации.
Рис..7. Пусковой момент трения по стали ШХ15 газодинамических упорных подшипников из
антифрикционных материалов:  - бронза,  - антифрикционный сплав, v – корундовая
керамика,  - углеродный наноматериал
Кроме того, BCN инертен практически ко всем химически активным средам, за исключением высокотемпературных окислительных сред. В среде кислот, щелочей, хлорорганических соединений, расплавов цветных металлов, фторидов щелочных металлов и др. агрессивных химических соединений он абсолютно химически стоек. Эта особенность BCN открывает перспективы для использования его в качестве ответственных деталей технологического оборудования металлургии, энергетики, химической промышленности и других
отраслей производственной деятельности, связанной с использованием химически активных
сред.
Отмеченные свойства BCN в сочетании с его непроницаемостью для жидкости и газа
позволяют рекомендовать его в качестве торцевых уплотнений вращающихся валов. Преи13
мущество BCN перед импрегнированными графитами состоит в практическом отсутствии
температурных ограничений: он не теряет своих физико-механических свойств до 2000С.
BCN служит эффективным антифрикционным материалом торцевых уплотнений, работающих при высоких окружных скоростях вращения и высоких параметрах рабочей среды. Он
обеспечивает работоспособность высокотемпературных торцевых уплотнений энергонасыщенных узлов трения тепловых машин. Низкий коэффициент трения в сочетании с химической инертностью и непроницаемостью для жидких и газообразных сред обеспечивают
работоспособность торцевых уплотнений высокотемпературных агрессивных сред.
Считаем необходимым отметить, что сфера эффективной реализации свойств BCN в
технических устройствах с потребительскими свойствами выше мирового уровня значительно шире рассмотренных направлений его применения. В частности, по электрохимическому
потенциалу BCN близок к благородным металлам – золоту, платине и в ряде случаев может
их заменить. Технико-экономическая целесообразность реализации технического потенциала
BCN в качестве электродного материала электрохимического оборудования и приборов очевидна.
В заключение данной части работы отметим, что рассмотренные на примере модельной
системы углерод-углерод этапы осуществления технологического проекта по созданию моностадийной технологии объемных наноматериалов могут быть реализованы и для получения широкой гаммы наноматериалов системы наполнитель-матрица другого химического
состава с не менее уникальными свойствами. При этом следует иметь в виду, что представленные результаты получены с использованием технологических приемов, основанных на
газофазном пиролизе исходного сырья. Однако не все технически значимые материалы
конструкционного назначения могут быть получены путем газофазной кристаллизации
сырьевых компонентов. Наряду с газофазными процессами для создания объемных наноматериалов могут быть использованы также процессы жидкофазной кристаллизации и вторичной кристаллизации твердой фазы.
Отсутствие адекватных условий для подготовки предлагаемой концепции к заводскому
производству и потреблению конечного продукта может превратить результаты многолетнего самоотверженного труда многих научных и производственных коллективов в невостребованное отечественной промышленностью интеллектуальное сырье для зарубежной переработки в конечный продукт высоких технологий.
14
2. Жаростойкость
В машиностроении достаточно широко используют неметаллические материалы на
основе органических полимеров [5]. Дальнейшему расширению номенклатуры деталей из
неметаллических материалов в машиностроительной продукции и увеличению масштабов их
применения в машиностроении препятствует низкое значение температурного предела
работоспособности существующих материалов.
Органические полимеры являются производными простейших углеводородов, вследствие чего обязательными компонентами органических полимеров являются углерод и водород. В процессе термического воздействия они химически взаимодействуют с другими компонентами полимера, образуя летучие вещества. Деструкция полимера приводит к снижению
его прочности. Температурный предел работоспособности большинства материалов на основе органических полимеров, используемых в отраслях массового машиностроения, не превышает 200 °С.
Выделяемые при нагреве органического полимера летучие вещества, большинство кото
рых токсично, загрязняют окружающую среду. Потенциальная возможность выделения токсичных летучих веществ в процессе эксплуатации машин и оборудования с деталями из материалов на основе органических полимеров ставит в повестку дня вопросы экологической
безопасности выпускаемой продукции. Обратим внимание, что при пожаре большинство
жертв погибает не от воздействия высокой температуры, а задыхаются ядовитыми продуктами пиролиза органополимеров.
Модифицирование органических полимеров атомами титана, алюминия, кремния и др.
металлов позволяет существенно повысить их жаростойкость. На основе элементоорганических полимеров созданы клеи, стойкие к термоокислительной деструкции в условиях длительного воздействия температуры до 1000°С [6]. Дальнейшему повышению жаростойкости элементоорганических полимеров препятствует наличие в их структуре присоединенных к основному молекулярному звену органических радикалов. Для дальнейшего повышения жаростойкости целесообразно обратиться к неорганическим полимерам, поскольку они не имеют в своем составе органических радикалов.
Неорганические полимеры являются самыми распространенными соединениями в природе. Наиболее распространены полимерные соединения кремния в виде оксидов и силикатов. Содержания кремния в доступной исследованию части земной оболочки достигает 26 %.
Полимерные оксиды кремния, алюминия и магния составляют около 80 % земной коры. Они
служат исходным сырьем для производства огнеупоров. Однако их полимеризация для превращения в целевой продукт происходит только в результате длительной высокотемпературной обработки, которая осуществляется в специальных печах обжига. Такая технология при
15
большой длительности процесса и хрупкости конечного продукта не может претендовать на
приоритет в производстве машиностроительных материалов конструкционного назначения.
В данной части работы рассмотрена принципиальная возможность разработки относительно простой технологии многократного повышения жаростойкости машиностроительных
материалов конструкционного назначения. Отмечены также направления, позволяющие исключить экологическое загрязнение окружающей среды и систематическое отравление населения страны токсичными выделениями продуктов деструкции органических полимеров в
процессе пользования массовой продукцией химической промышленности.
Технология
Основой технологии является мономер, который позволяет получать полимеры принципиально нового класса со следующими свойствами:
- химическая инертность в окислительных средах при нормальной и повышенных температурах. Рабочая температура до 2000°С;
- низкая плотность. Он легче алюминия и его сплавов в 1,5 раза;
- компоненты не токсичны, технология экологически безопасна.
На основе данного мономера разработано жаростойкое связующее Хайпол (ХП). Оно
скомпановано в двух упаковках. Смесь компонентов (порошок+наноразмерные добавки +
жидкость) затвердевает в результате химической реакции при цеховой температуре.
Материалы с использованием ХП изготавливают по традиционной технологии композиционных материалов на стандартном оборудовании. Прессованием получают панели, блоки различной конфигурации и трубы. Трубы могут быть изготовлены также путем намотки
волокнистого наполнителя. Литьевые составы на основе ХП позволяют изготавливать более
широкий ассортимент продукции, включая крупногабаритные конструкции.
Экология
В качестве примера на рис.8 представлена технологическая схема производства негорючего стеклопластика со связующим ХП. Замена им используемых в настоящее время стеклопластиков со связующим на основе органических полимеров позволит обеспечить полную
экологическую безопасность в процессе эксплуатации конструкций из стеклопластика, а при
пожаре - исключить жертвы от воздействия ядовитых продуктов пиролиза органического
связующего.
Наиболее массовое применение ожидается в строительстве для интерьера зданий гражданского и промышленного назначения. Не менее эффективно применение негорючих мате-
16
Рис.8. Принципиальная схема производства негорючего стеклопластика
риалов для интерьера воздушных, наземных и подземных, водных и подводных транспортных устройств.
Замена фенолформальдегидного связующего в производстве древесно-стружечных и
древесно-волокнистых плит на ХП исключит экологическое загрязнение окружающей среды
токсичными выделениями фенола и формальдегида в процессе производства и эксплуатации
изделий из них. Например, в интерьере жилых помещений и мебели.
На основе ХП создан материал с высокой сорбционной способностью, который абсорбирует экологические загрязнения. Способность материала нейтрализовать диоксины решает
некоторые проблемы мегаполисов: утилизация золы мусоросжигательных заводов, загрязненных экологически опасными компонентами; предотвращение утечек диоксинов из городских свалок.
Состав на основе ХП заменяет канцерогенный битум в производстве асфальта. Он пред
ставляет собой концентрированную многокомпонентную эмульсию. Из нее готовят рабочий
17
раствор прямо на месте укладки дорожного покрытия. После механического уплотнения
дорожное покрытие становится плотным и прочным.
Предлагаемая технология нечувствительна к качеству сырья, что позволяет утилизировать почти все промышленные отходы независимо от их химического состава, влажности,
консистенции и др. Это позволяет перерабатывать промышленные отходы в огнеупорные
материалы различного назначения и широкий ассортимент строительных материалов (стеновые крупногабаритные изделия, высокопрочный кирпич, кислотоупорные покрытия, теплоизоляционные материалы, огнезащитные краски, ультралегкий наполнитель, легкие бетоны, высокотемпературные клеи, ремонтные составы, негорючие пластики и многое другое…). Использование ХП в технологии строительных материалов позволит исключить экологическое загрязнение окружающей среды как в процессе производства, так и в процессе
эксплуатации зданий и сооружений из этих материалов.
Промышленные сооружения должны быть надежно защищены от воздействия прямого
огня в случае пожара. Металлические конструкции промышленных сооружений в огне быстро теряют свою несущую способность и здание рушится, что многократно увеличивает
ущерб, вызванный огнем. На основе ХП разработаны огнестойкие покрытия для защиты металлических конструкций от воздействия прямого огня.
Деревянные сооружения наиболее подвержены влиянию прямого огня и часто горят,
что приводит к большому экономическому ущербу и слишком часто сопровождается человеческими жертвами. На основе ХП создана негорючая краска, защищающая дерево от возгорания.
Технический потенциал
Использование ХП позволяет создавать конкурентоспособные материалы для разработки машиностроительной продукции с техническими характеристиками выше мирового уровня.
Связывая ХП неорганический волокнистый наполнитель можно получить жаростойкий машиностроительный материал нового поколения – композиционный материал системы
неорганика-неорганика. Он рекомендуется в качестве высокотемпературного конструкционного материала для создания тепловых машин с техническими характеристиками выше мирового уровня.
Большинство машин имеет тормозные устройства, работоспособность которых определяется характеристиками фрикционных материалов. Традиционные фрикционные материалы
на органополимерном связующем работоспособны до 200°С. Материалы системы углеродуглерод сохраняют фрикционные свойства до более высоких температур, но в воздушной
среде горят и поэтому требуют специальной защиты. Использование ХП в производстве
18
фрикционных материалов позволит исключить температурный предел работоспособности
тормозных систем и создать тормозные устройства с характеристиками выше мирового
уровня.
Предлагаемая технология позволяет восстановить разрушенную огнеупорную деталь
термического оборудования путем связывания ХП измельченных до порошкообразного состояния остатков детали. Ремонт выполняется в цеховых условиях по месту расположения
аварийного оборудования.
На основе ХП созданы высокотемпературные клеи. Потребителями являются предприятия, эксплуатирующие высокотемпературное термическое оборудование.
Рассмотренные примеры технического применения ХП находятся на разных стадиях
практической реализации и не исчерпывают потенциальных возможностей развития предлагаемого направления работ.
3. Санация
Даже при положительном решении проблемы перевооружения промышленности конкурентоспособной техникой хозяйствующие субъекты вынуждены решать непростую задачу:
до момента замены на новую изношенная техника должна сохранять свою работоспособность.
Машиностроительная продукция для поддержания своей работоспособности нуждается
в техническом обслуживании, а также в профилактическом и капитальном ремонтах. Большинство этих работ требует наличия современного технически сложного специализированного оборудования в исправном состоянии и высококвалифицированного персонала для его
обслуживания. Между тем, многие промышленные предприятия и большинство физических
лиц – владельцев сложной техники в настоящее время экономически не в состоянии обеспечить соответствуюее сочетание технического и кадрового составляющих для компетентного
выполнения ремонтно-восстановительных работ.
Между тем, существует несколько достаточно простых способов сгладить остроту ситуации с обеспечением работоспособности имеющейся в распоряжении потребителей изношенной техники. Современное материаловедение располагает технико-экономически высокоэффективными методами выполнения ремонтно-восстановительных работ, которые позволяют обходиться без громоздкого технологического оборудования с соответствующим штатом высококвалифицированного обслуживающего персонала и свести к минимуму требования к квалификации непосредственного исполнителя работ.
Немаловажным условием выбора оптимальной технологии ремонтно-восстановительных работ в современных условиях является экологическая безопасность технологических
19
процессов, поскольку обеспечение работоспособности изношенной инфраструктуры технической деятельности носит вынужденно массовый характер и затрагивает практически всю
территорию страны. Защита окружающей среды от негативного воздействия продуктов жизнедеятельности человека становится в ХХ1 веке главным условием сохранения на Земле человечества как вида живой природы. Безрадостные перспективы унылого существования человека на грани выживания в предельно загрязненной окружающей среде красочно описаны
еще в работах ведущих фантастов ХХ века.
Объект исследования
Для восстановления изношенных деталей машин традиционно используют термические
методы (электро- и газосварка, пайка, наплавка и др.). Экологически они характеризуются
интенсивным тепловым излучением в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра,
которые воздействуют преимущественно на исполнителя данной технологии. Кроме того,
термические процессы протекают с выделением вредных для здоровья химических элементов в виде пыли, паров и аэрозолей, которые воздействуют не только на непосредственного
исполнителя ремонтных работ, но и загрязняют окружающую среду.
Нагрев в традиционных способах ремонта необходим для того, чтобы расплавить металл. В расплавленном металле атомы сближаются друг с другом до расстояния, на котором
проявляются межатомарные силы взаимодействия, обеспечивая прочность соединения наплавляемого металла с металлом ремонтируемой детали. Если перейти от атомарного взаимодействия к молекулярному, когда функциональные группы высокомолекулярного соединения взаимодействуют с активными точками металла ремонтируемой детали, отпадает необходимость плавления металла и защиты исполнителя работ и окружающей среды от вредных выделений металлургического производства в миниатюре, которое осуществляется в
зоне термического воздействия.
Такая технология получила название холодная молекулярная сварка (ХМС). Она позволяет соединять не только металлические, но и практически любые машиностроительные материалы, т.е. выполнять сварочные работы по ремонту технических устройств. Сварка не
требует нагрева, почему названа холодной.
Расходными материалами в технологии ХМС служат ремонтные композиционные материалы, сокращенно Реком. Сварной шов получают из пастообразной смеси приготовленных
в заводских условиях компонентов Реком без использования какого-либо ремонтного оборудования исполнителем, не имеющим соответствующей технической подготовки. Основной
рабочий инструмент сварщика – шпатель, который служит для формирования конфигурации
сварного шва.
20
Технология ХМС исключает экологическое загрязнение окружающей среды, чем выгодно отличается от термических способов ремонтно-восстановительных работ. Экологическая безопасность ХМС обеспечена исключением из состава Реком органических растворителей и отсутствием выделений побочных продуктов молекулярного взаимодействия компонентов Реком в процессе затвердевания сварного шва. Все компоненты Реком без остатка
участвуют в формировании прочного сварного шва.
Научные основы процесса и его технические преимущества рассмотрены нами ранее
[7]. Стоимость такого ремонта обходится в 5 раз ниже аналогичных работ, выполненных с
использованием методов традиционной термической сварки. Затраты на приобретение
расходных материалов и освоение несложной технологии ХМС окупаются после первого
ремонта. Для ремонтно-восстановительных работ методом ХМС доступен большой арсенал
отечественных Реком, которые по техническим и технологическим характеристикам не
уступают более дорогим зарубежным аналогам [8].
Однако линейный персонал промышленных предприятий вследствие большой загруженности текущей производственной деятельностью и не всегда высокой квалификацией не
имеет возможности отслеживать развитие высоких технологий в области своей профессиональной деятельности и грамотно выбрать оптимальную разновидность Реком для конкретного ремонта. В связи с этим нами был проведен маркетинг производственного спроса промышленных предприятий на отечественные марки Реком с целью разработки их оптимальной номенклатуры.
Экспериментальная часть
Маркетинг проводился с 1993 г. по настоящее время и охватил около 25 тыс. функционирующих предприятий всех регионов и отраслей производств, что, по нашему мнению, является достаточно представительным объемом выборки генеральной совокупности и позволяет надеяться на объективность полученных результатов. Всем предприятиям была предоставлена информация о ХМС и технико-экономических преимуществах отечественных марок Реком для ее осуществления
Первичный отклик составил 4,6 % от объема выборки. С откликнувшимися предприятиями проводилась активная работа по выявлению сферы технико-экономически эффективного использования ХМС.
В процессе общения с инженерно-техническим персоналом промышленных предприятий подтвердилась любопытная особенность системы приоритетов их технико-экономического менеджмента, известная по многочисленным публикациям в периодической печати. Линейный персонал предприятий цехового уровня (начальник, механик, энергетик цеха или
аналогичного подразделения) более восприимчив к техническим новинкам и заинтересован в
21
практическом применении современных технологий, однако результативность переговоров,
которую мы оценивали по факту получения заявки на согласованную марку Реком, тормозится должностными лицами на уровне предприятия. Далее выясняется, что во главе предприятий практически повсеместно находятся «эффективные менеджеры», которые предпочитают управлять финансовыми потоками в ущерб техническому состоянию основных фондов
предприятия. По нашему мнению, данное обстоятельство является основной причиной плачевного технического состояния основного оборудования и инфраструктуры отечественной
промышленности.
По отмеченной причине научно-техническая продукция поставлена всего 39,4 % от количества предприятий, откликнувшихся на первичную рассылку информационных сообщений. Поставка сопровождалась консультациями по организации ремонтно-восстановительных работ в производственных условиях данного предприятия и регламенту работ по ремонту конкретной детали. По виду ремонтных работ поставленная продукция распределилась
следующим образом.
Поставка расходного материала универсального назначения марки Реком-Б (базовый)
составляет 85,6 % от общего объема поставок (табл.1). В качестве примеров его применения
Таблица 1
Основные расходные материалы холодной молекулярной сварки
Характеристика
Предел прочности при сдвиге по стыку со
сталью
Предел прочности при сжатии
Температура эксплуатации: рабочая
кратковременно
Коэффффициент трения по стали
Время: жизни смеси
полного набора прочности
Обрабатывающий инструмент
Назначение
Реком-Б
250 кг/см²
Реком-И
200 кг/см²
1350 кг/см²
1000 кг/см²
150ºС
150ºС
200ºС
200ºС
0,06
0,035
1 час
1 час
24 часа
24 часа
углеродистая сталь
твердый сплав
корпусные детали, ра- Поверхности тредиатор,бензобак,кузов ния, подвижные
косметический репосадки, разъеммонт
ные соединения
обладают хорошим сцеплением с сухой
обезжиренной поверхностью всех черных
(углеродистые и легированные стали и чугу
ны) и цветных металлов и сплавов (силумины, дюралюминий, латуни, бронзы и др.),
большинства полимеров, а также практичес
ки всех других неметаллических материалов (стекло, керамика, дерево и др.).
Адгезия
22
указаны преимущественно ремонты автомобильной техники, поскольку ни одно предприятие или учреждение не обходится без услуг автотранспорта, а многие сотрудники этих организаций имеют личные автомобили. Хотя с не меньшим успехом Реком-Б используется для
ремонтов широкой номенклатуры машиностроительной продукции разнообразного назначения. Следующим по рангу распределения идет расходный материал марки Реком-И (износостойкий) с частостью 5,6 %.
Отмеченные марки рекомендованы для обеспечения работоспособности автотранспорта, а также основного производственного оборудования и инфраструктуры промышленных
предприятий любого профиля, т.е. для этих целей востребовано 91,2 % предложенной продукции. Оставшаяся часть поставок представлена Реком специального назначения (табл.2), в
которых усилено одна из эксплуатационных или технологических характеристик Реком универсального назначения. Они используются для решения специфических ремонтных задач
(химическая стойкость, электроизоляционные свойства, абразивостойкость, адгезия к мокрой, ржавой или замасленной поверхностям и др.).
Маркировка
Реком-А
Реком-Б+
Реком-В
Реком-Д
Реком-ИМ
Реком-ПМ
Реком-Р
Реком-У
Таблица 2
Расходные материалы специального назначения
Назначение
Для восстановления деталей, работающих в абразивной среде. Обрабатывается алмазным или боразоновым инструментом
Для полевых условий (любые плюсовые температуры, туман и дождь)
Схватывается с мокрой поверхностью. Для ремонта инженерного оборудования систем тепло- и водоснабжения
Обладает демпфирующими свойствами. Для восстановления деталей гидромашин, изнашиваемых в условиях кавитационной эрозии и ударного воздействия частиц суспензии
Имеет повышенную твердость и низкий коэффициент трения. Обрабатывается твердосплавным инструментом. Для восстановления изнашиваемых контртелом поверхностей трения, в т.ч. для безразборного ремонта штоков гидроцилиндров
Схватывается с поверхностью полимеров. Для ремонта стеклопластиковых и
полиэтиленовых деталей, полиэтиленовой изоляции металлических трубопроводов
Схватывается с сухой ржавой поверхностью. Для ремонта прокорродированных труб и резервуаров. Возможна упрочняющая пропитка любых пористых
материалов для придания им герметичности и коррозионной стойкости
Допускает деформирование металлической подложки без нарушения адгезионной прочности покрытия. Для ремонта крупногабаритных металлических
конструкций, испытывающих в процессе эксплуатации деформации
Новейшей разработкой является расходный материал нового поколения марки РА-У,
который не только заменяет большинство Реком специального назначения, но и может быть
использован в качестве быстроотверждаемого ремкомплекта аварийного назначения, поскольку время отверждения смеси его компонентов не превышает 15 мин.:
23
Ремкомплект аварийный универсального назначения марки РА-У
Композиционный материал нового поколения сочетает в себе технические и технологические свойства многих марок ремонтных композиционных материалов (Реком) и ремкомплектов аварийного назначения (РА) с временем затвердевания 15 мин.:
 позволяет выполнять аварийный ремонт в полевых условиях при любых плюсовых температурах, в туман, дождь, заменяя Реком-Б+.
 схватывается с мокрой поверхностью, заменяя Реком-В. Рекомендуется для аварийного
ремонта инженерного оборудования систем тепло- и водоснабжения.
 схватывается с ржавой поверхностью металлов и сплавов, заменяя Реком-Р. Рекомендуется для аварийного ремонта прокорродированных труб и резервуаров.
 обладает повышенной стойкостью к химически активным средам, заменяя Реком-Х. Рекомендуется для аварийного ремонта деталей машин и оборудования химических производств.
 является электроизолятором, заменяя Реком-ЭИ. Рекомендуется для аварийного ремонта
токонесущих деталей машин и оборудования.
 схватывается с поверхностью, загрязненной нефтью, маслом и др. нефтепродуктами, заменяя РА-М. Рекомендуется для аварийного ремонта емкостей и трубопроводов нефти и
нефтепродуктов.
В качестве вывода по данной части работы отметим, что работоспособность изношенного основного оборудования и инфраструктуры предприятий любого профиля может быть
обеспечена поставками всего трех марок расходных материалов холодной молекулярной
сварки отечественного производства в следующем соотношении: Реком-Б 85 %, Реком-И 5
%, РА-У 10 %.
24
Список литературы
1. Григорьев С. Н. Курс на кадровое и технологическое перевооружение отечественного
машиностроения // Технология машиностроения, № 1, 2012. С. 5-10
2. Волков Г.М. Технологические проблемы перехода от микро- к наносистемам консолидации дисперсных частиц вещества // Нано- и микросистемная техника, № 5, 2006.
С. 34-37
3. Петрунин В.Ф. Ультрадисперсные порошки - российская ниша наноматериалов и
перспективная база нанотехнологий // Экология - XXI век, N 3(27), 2005. С. 90-91.
4. Волков Г.М. Объемные наноматериалы – М.: «КноРус», 2011. 168 с.
5. Бобович Б.Б. Неметаллические конструкционные материалы: учебное пособие –
М.: МГИУ, 2009. 384 с.
6. Петрова А.П. Клеящие материалы. Справочник – М.: «К и Р», 2002. 196 с.
7. Волков Г.М. Особенности холодной молекулярной сварки как ключевой технологии
реновации действующих машин и оборудования // Ремонт, восстановление, модернизация,
№ 8, 2002. С. 24-32
8. Волков Г.М. Расходные материалы нового поколения для холодной молекулярной
сварки // Конверсия в машиностроении, № 1, 1999. С 49-52
25
Оглавление
Стр.
Введение ....................................................................................................................................... 3
1. Прочность ……………………………………………………………………………………. 5
Научные предпосылки ……………………………………………………………………….. 5
Теоретическая часть ………………………………………………………………………….. 7
Технология ……………………………………………………………………………………. 8
Технический потенциал ……………………………………………………………………… 10
2. Жаростойкость ………………………………………………………………………………. 15
Технология ……………………………………………………………………………………. 16
Экология ………………………………………………………………………………………. 16
Технический потенциал ……………………………………………………………………… 18
3. Санация ………………………………………………………………………………………. 19
Объект исследования …………………………………………………………………………. 20
Экспериментальная часть …………………………………………………………………….. 21
Список литературы …………………………………………………………………………….. 25
26
Учебное издание
Волков Георгий Михайлович, докт.техн.наук, проф.
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИИ
«Материаловедческие предпосылки
перевооружения отечественного машиностроения»,
завершающей изучение курса «Материаловедение»
для студентов всех специальностей и направлений
машиностроительного профиля
Под редакцией автора
Оригинал-макет подготовлен редакционно-издательским отделом
Университета машиностроения
По тематическому плану внутривузовских изданий учебной литературы на 2013 г.
Подписано в печать_
Формат 60х90 1/16. Бумага 80 г/м³
Гарнитура «Таймс». Ризография. Усл. печ. л. 3,0.
Тираж 50 экз. Заказ №
Университет машиностроения
107023, г.Москва, Б.Семеновская улю, 38.
27