Технология диффузионного упрочнения нагруженных деталей узлов и механизмов
advertisement
Инновационный проект Технология диффузионного упрочнения нагруженных деталей узлов и механизмов Руководитель проекта: Каравашкин Сергей Борисович руководитель частной Специализированной лаборатории фундаментальных исследований СЕЛФ 2. Аннотация проекта В машинах и механизмах существует общеизвестная проблема неравномерного износа деталей, из-за которого весь механизм выходит из строя значительно раньше, чем наступает его общий износ. Эту проблему пытаются решать частыми капитальными ремонтами с заменой изношенных частей, а также выполняя особо нагруженные детали из более качественных материалов, что их удорожает. Другое направление – поверхностное упрочнение особо нагруженных деталей, которое в принципе способно продлить срок службы детали и позволить использование более дешевых основных материалов. Практика применения существующих вариантов упрочнения указывает, что теоретически наиболее соответствует эксплуатационным нуждам метод дискретного диффузионного покрытия, но существующими на сегодня методами он технологически трудно осуществим с должным качеством покрытия и является скорее перспективным полем приложения инженерных решений, чем производственной технологией. На основе нашего оригинального понимания электрофизических процессов и собственных технических решений мы смогли сделать этот метод технологичным. Мы разработали значительно более эффективный, простой в эксплуатации и дешевый способ нанесения износостойких покрытий на особо нагруженные детали. Создана компактная переносная установка; специальное оборудование не требуется. Экологическая чистота и безопасность метода делает ненужными специальные камеры, а чистота получаемой поверхности почти не требует финишной шлифовки деталей. Коэффициент упрочнения в 2-3 раза выше, чем у существующих способов упрочнения (ремонтные обработанные детали служат вдвое дольше новых; новые можно изготавливать из более дешевых сталей). Упрочняющий материал глубоко и прочно внедряется в обрабатываемую деталь, не дает нагара, сколов и шелушения; покрытие термо-, баро- и ударопрочно. Покрытие наносится избирательно на поверхности детали, нуждающиеся в упрочнении, не затрагивая поверхности, которым упрочнение нежелательно. Метод обеспечивает широкую вариантность покрытий, от чистого графита до легированных сплавов и самых различных комбинаций материалов и сплавов, оптимальных для конкретного режима эксплуатации. Обработке поддается даже легированный чугун, перед которым бессильны все существующие способы упрочнения. Эта эффективность и многоплановость делает область применения технологии необозримо широкой: металлургия, машиностроение, транспорт, геологоразведочная и горнодобывающая промышленность и т.д., причем новая технология упрочнения обещает вытеснить старые с их громоздким оборудованием, малопроизводительными техпроцессами, трудоемкостью и проблемами экологии и безопасности труда. Следует также отметить, что она несравнимо более производительна и экономична и что себестоимость покрытия может быть существенно снижена по сравнению с существующими методами. Технология применима для обработки новых и ремонтных поверхностей; возможно повторное нанесение покрытия при следующем ремонте, что значительно увеличивает срок службы массивных и дорогостоящих деталей. При соответствующей доработке данная методика позволяет производить наращивание изношенной поверхности до 0,1 мм без ухудшения износостойкости и прочностных характеристик поверхности, что особенно важно ввиду изношенности парка станков и транспорта. Возможна разработка установок-модификаций, приспособленных под нужды конкретных потребителей и техпроцессов, а также автоматизация процесса при его применении в серийном производстве. Идет разработка и создание установки следующего поколения, которая, предположительно, еще повысит технологичность и эффективность метода. Это второе поколение установки данного типа, созданной нами. Опыт, приобретенный с предыдущей модификацией, показал, что спрос на новую технологию чрезвычайно велик. Производственники встречают ее появление с большим энтузиазмом. Однако мы находимся на Украине, где общая обстановка жестко препятствует развитию, и внедрение первой установки утонуло в неделовых аспектах. Мы провели предварительное маркетинговое исследование и пришли к выводу, что предлагаемая технология вне конкуренции на мировом рынке по всем показателям – и технологическим, и экономическим. Это делает рациональным производство установок небольшими сериями различных модификаций для нужд отдельных отраслей производства, но продукт допускает разные варианты коммерциализации и это только один из них (на наш взгляд, предпочтительный). Цель предлагаемого проекта: – опробовать новый опытный образец в промышленных условиях; – отработать варианты оптимальных пар трения для разных материалов и свойства покрытий из различных материалов при их нанесении данным методом и в разных режимах эксплуатации, т.е. максимально широкую применимость технологии; – выйти на предприятия разного профиля с разными проблемами износа и отработать снятие их проблем. 3. Информация о заявителе Автор разработки: Сергей Борисович Каравашкин, руководитель Специализированной лаборатории фундаментальных исследований СЕЛФ. частной Адрес: проспект Гагарина, дом 38, кв. 187, Харьков – 61140, Украина Телефон: (0572) 7370624 Е-почта: selftrans@yandex.ru , selflab@mail.ru Сайт: http://selftrans.narod.ru/SELFlab/index_rus.html Автор по образованию инженер-электрофизик. Имеет большой инженерный и метрологический опыт; организовывал и отлаживал первый в СССР производственный участок по нанесению ионно-плазменных упрочняющих покрытий на установках типа «Булат» (Харьковский инструментальный завод и Харьковский физико-технический институт); далее провел ту же работу на заводе им. Малышева. Несколько лет занимался отладкой сложного и нестандартного оборудования и производственных участков в различных отраслях промышленности, «вытаскивая» загубленные проекты и «безнадежное» оборудование. Работал в Проектном технологическом и экспериментальном институте проблем машиностроения, в лаборатории ионно-плазменных покрытий, в рамках которого организовывал участки в Ленинграде (завод «Русский дизель») и Горьком (завод «Двигатель революции»). В 1989 году образовал собственную частную лабораторию, которая ведет исследования в различных областях физики, в том числе экспериментальной, электрофизики, а также обладает довольно большим портфелем инженерных решений, из которых два можно увидеть на сайте. Подробнее об авторе можно прочесть здесь: http://selftrans.narod.ru/SELFlab/cv/CVrus.html . Работы финансируются самостоятельно и публикуются в электронном журнале лаборатории «Труды СЕЛФ» ( http://selftrans.narod.ru/cover/coverrus.html ), седьмой том которого начат в этом году. С отчетами о проведенных исследованиях, а также с публикациями в международных журналах можно ознакомиться по адресу: http://selftrans.narod.ru/SELFlab/publications/publicationsrus.html . Лаборатория велика по результатам, но очень мала фактически (два человека, два компьютера, несколько приборов), и в данном проекте автор выступает как физическое лицо. 4. Современное состояние исследований и разработок в области реализации проекта. Новизна предлагаемого подхода по сравнению с известными Как общеизвестно, работоспособность существующих механических узлов и механизмов определяется предельным износом трущихся деталей в этих узлах и механизмах. При этом относительные размеры износа, по отношению потери массы деталей технических средств к её первоначальной массе, весьма малы, но эта малая величина приводит к выходу из строя механизма или машины в целом. Этим определяется и совокупный экономический эффект, связанный с упрочнением трущихся поверхностей. Данное упрочнение может осуществляться двумя способами: улучшением механических свойств материала деталей в целом или упрочнением непосредственно тех поверхностей, которые подвержены износу. Первый способ при всех его преимуществах, связанных с удлинением срока службы деталей, обладает рядом существенных недостатков, среди которых наиболее существенными являются следующие. 1) Как правило, детали узлов и механизмов выполняют одновременно несколько функций и должны соответствовать нескольким, порою противоположным требованиям. Так, например, валы двигателей должны одновременно иметь повышенную износостойкость и отсутствие задиров в подшипниках и способность выдерживать ударные нагрузки на кривошипы. Это требует различных свойств материала, которые практически невозможно совместить путём выбора одной марки чугуна или стали. 2) Упрочнение трущихся поверхностей требует применения специальных дорогостоящих марок чугуна и стали, значительно удорожающих стоимость детали, а значит, и механизма в целом. В связи с этим в настоящее время считается наиболее перспективным локальное упрочнение отдельных поверхностей узлов, непосредственно подверженных износу. Это позволяет создать оптимальные условия в области соприкосновения трущихся деталей при сохранении требуемых характеристик остальных частей узлов и деталей. Проблема усложняется существенно различными условиями трения, зависящего от многих параметров, и в частности, от давления на поверхности, наличия ударных нагрузок, температурного режима, в котором работает узел или деталь, наличия смазки, а также совместимости материалов трущихся поверхностей. В зависимости от указанных особенностей, в настоящее время разработан достаточно обширный диапазон методик, который может быть подразделён на два основных направления: - создание износостойких покрытий и плёнок; - упрочнение самих трущихся поверхностей. К первому направлению могут быть отнесены методы электролитического, гальванического, плазменного нанесения износостойких покрытий на поверхности деталей. По характеру связи покрытия с поверхностью упрочняемой детали данные покрытия называют адгезионными. Толщина этих покрытий как правило лежит в пределах от нескольких мкм до долей миллиметра. Они хорошо показывают себя в условиях слабонагруженного трения без ударных нагрузок и в отсутствии локального интенсивного нагрева деталей. При наличии ударных нагрузок, как и при наличии температурных перепадов, происходит растрескивание и отслаивание данных покрытий. При этом частицы материала покрытия интенсифицируют износ, являясь дополнительным абразивом в области контакта трущихся поверхностей. Характерными областями применения данного типа покрытий являются: - режущий инструмент различного назначения (сверла, метчики, фрезы); - слесарный инструмент (ножовочные полотна, напильники, надфили); - формообразующий инструмент (пресс-формы, инструмент и оснастка для глубокой холодной вытяжки металлов); - производство пластмасс и резинотехнических изделий (валы и шестерни машин и механизмов, детали текстильного машиностроения); - автомобилестроение (цилиндры двигателей внутреннего сгорания, компрессионные кольца); - нефтедобывающая промышленность (коронки бурового инструмента, цилиндры штанговых насосов, плунжеры манжетных насосов и т.д.); - циркулярные и ленточные пилы для деревообработки; - медицинский инструмент (зубные боры, фрезы для операций на черепе, инструмент для микрохирургии и офтальмологии); - товары бытового назначения (ножи для мясорубок, лезвия бритв, швейные иглы). [<http://www.icsti.ru/rbd/rus/tech/cat6.html>] В качестве примера на рис. 1 показаны некоторые представители ассортимента инструмента, упрочненного электрохимическим (а) и плазменным (б) методом. Рис. 1 а) http://www.icsti.ru/rbd/rus/tech/cat6.html б) http://keith@carolinacoating.com/what_is.htm В зависимости от условий, в которых работают детали или инструмент с адгезионным покрытием, степень упрочнения может изменяться от 1,5 до 3 и даже до 5 раз, что создаёт существенную экономию, особенно при нанесении покрытий на неперетачиваемый инструмент и на детали механизмов, не подлежащих ремонту. Вместе с тем, неспособность покрытий работать в условиях высоких механических, ударных и термических нагрузок существенно снижает область применимости указанных методик. К тому же эта область применения существенно сужается необходимостью использования стационарного оборудования для нанесения покрытий, что позволяет осуществлять упрочнение только в заводских условиях. В частности, для электрохимических покрытий требуются специальные экологически вредные гальванические ванны; для ионно-плазменных методов требуются вакуумные или специальные камеры, приспособленные для нанесения покрытий в вакууме или инертной среде. Для примера, на рис. 2 представлена камера для нанесения покрытий методом thermal spray coatings, осуществляемого фирмой CTS (Цинциннати, США). Рис. 2 http://www.cincinnatithermalspray.com/ctsinfo.htm В связи с указанными особенностями адгезионных покрытий, для упрочнения поверхностей деталей машин и механизмов, подверженных в процессе работы нагруженному трению и/или большим колебаниям температуры, применяются технологии диффузионного упрочнения. К данным технологиям относятся методы лазерного упрочнения, технологии насыщения поверхностного слоя углеродом (цементирование), азотом (азотирование), одновременно азотом и углеродом (цианирование) или различными металлами типа хрома, алюминия, вольфрама и т.д., а также методы газоплазменного и электроискрового упрочнения. В числе перечисленных методов, лазерное упрочнение при высокой технологичности, высокой скорости и экологической безопасности обработки поверхности детали даёт сравнительно невысокий эффект, поскольку не изменяет химическую структуру поверхности, но только производит локальную её закалку и несколько улучшает её морфологическую структуру. В свою очередь, насыщение поверхностного слоя диффузионными методами требует значительного времени (10–20 часов), нагрева детали до значительных температур (8001200 оС), наличия специальных печей или ванн. Это требует значительных затрат энергоресурсов, делает процесс трудозатратным, экологически вредным и может производиться только в специальных цехах. «Для азотирования характерны исключительно высокая поверхностная твёрдость и неглубокий диффузионный слой в отличие от цементации, где при относительно небольшой продолжительности процесса достигается более значительная глубина диффузионного слоя при значительно меньшей его твёрдости. Преимущество азотированного слоя – в его более высокой износоустойчивости, но азотирование детали значительно дороже, так как процесс требует более длительного времени и для азотирования применяются дорогостоящие легированные стали» [А.П. Гуляев, Металловедение, с. 219220]. В свою очередь, «существенным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей. Поэтому процессы цианирования производятся в специально выделенных помещениях» [А.П. Гуляев, Металловедение, с. 222]. При диффузионном внедрении металлов в поверхностный слой «диффузия хрома, алюминия и других металлов идёт значительно медленнее, чем углерода и азота, потому что азот и углерод образуют с железом растворы внедрения, а металлы растворы замещения. При одинаковых температурных и временных условиях это приводит к тому, что диффузионные слои при металлизации получаются в десятки и сотни раз более тонкими, чем при цементации. Столь малая скорость диффузии препятствует широкому распространению процессов диффузионной металлизации в промышленности, так как процесс является дорогостоящим и проводится при высоких температурах (10001200 оС)» [А.П. Гуляев, Металловедение, с. 223]. Кроме того, при указанных методах диффузионного насыщения поверхностного слоя - существенно ограничена возможность оптимального подбора характеристик материала трущихся поверхностей; - насыщение поверхностного слоя осуществляется для всей детали в целом, что изменяет характеристики материала как в зоне контакта поверхностей, так и в тех частях детали, в которой подобные изменения вредны и могут приводить к выходу детали из строя. Чтобы избежать этого, отдельные части детали покрываются специальными обмазками, но это малоэффективно; - длительный нагрев может вызвать более или менее значительный рост зерна. Последующая обработка должна исправить этот дефект структуры; - эти нагревы вызывают дополнительное коробление деталей и удорожают процесс термообработки. Тем не менее, в отсутствии реальной альтернативы описанные способы наиболее распространены для упрочнения поверхностей трения коленчатых валов и ряда других тяжело нагруженных узлов и деталей машин и механизмов. Некоторым развитием диффузионных методов является технология, разработанная в МВТУ им. Баумана. По данной технологии «получение покрытий основано на сочетании предварительной механической обработки поверхности детали (деформирующее резание с формированием узких глубоких канавок шириной 5-100 мкм), с последующей традиционной химико-термической обработкой (азотирование, нитроцементация, борирование и др.), что позволяет получать композиционную структуру с вертикальным расположением упрочняющих слоев (см. рис. 3). Канавки либо заращиваются в процессе диффузионного насыщения, либо заполняются твердыми или жидкими смазками [http://mt2.bmstu.ru/defrez.php]. Однако указанная технология, при некотором увеличении твёрдости поверхности, существенно ухудшает её чистоту, создаёт дополнительные узлы напряжения в поверхностном слое, требует финишной механической обработки поверхности в дополнение к процессу упрочнения, а главное, не решает основных проблем, присущих вышеперечисленным диффузионным методам. Рис. 3 http://mt2.bmstu.ru/defrez.php К диффузионным покрытиям иногда относят упрочнение методом газоплазменного нанесения покрытий, разрабатываемое в частности на унитарном предприятии "МЕТОЛИТ" (Минск) и в компании Flame Spray coating Co. Inc. (США). Общий вид процесса нанесения данного типа износостойких покрытий представлен на рис. 4. а б Рис. 4 а) http://www.metolit.by/otnp/technol/tgnp/tgnp.shtml б) http://www.flamesprayedcoating.com/generalcoating.html Основными недостатками данной технологии являются: - неравномерный и существенный нагрев подложки, обусловливающий коробление детали и изменение структуры сердцевины детали; - существенный расход легирующих материалов, обусловленный, с одной стороны, значительным рассеиванием в процессе нанесения покрытия, а с другой стороны – необходимостью наращивания значительной толщины покрытия для того, чтобы оно было способно выдерживать нагрузки без сколов и растрескивания; - значительные энергозатраты; - дороговизна напыляемого дисперсного материала; - неоднородность покрытия и большое число включений, ухудшающих износостойкость покрытия и его сцепление с основой. В то же время данные технологии позволяют в широких пределах подбирать пары трения для достижения максимальной износостойкости контактирующих поверхностей деталей узлов и механизмов, а также избирательно наносить покрытия на защищаемые поверхности. Однако вышеуказанные недостатки значительно ограничивают широкое применение этих методов в производстве. Кроме перечисленных методов, к диффузионным покрытиям относится и технология электроискровой обработки поверхности, суть которой заключается в создании множественных слабых искровых разрядов между электродом и упрочняемой поверхностью. На рис. 5 показан процесс электроискровой обработки деталей в компании Swain Technology, Inc. (New York). Эта технология, так же как и газоплазменная, позволяет в широком диапазоне подбирать характеристики пар трения, но глубина упрочнённого слоя очень незначительна (менее 0,1 мм) и износостойкость поверхности трения быстро убывает с износом, что не способствует достижению значительного эффекта. Рис. 5 http://swaintech.com/index.html Как видно из представленного обзора, основной проблемой повышения износостойкости покрытий является необходимость одновременно удовлетворить нескольким базовым условиям: - технология обязана обеспечивать широкий диапазон подбора параметров упрочнённого слоя; - для обеспечения работоспособности упрочнения при ударных и температурных нагрузках упрочнённый слой должен внедряться в поверхности трения и не допускать сколов и растрескивания; - исходя из глубины упрочнения, признанной в настоящее время оптимальной и достаточной для обеспечения длительной работоспособности узлов и механизмов, проникновение внедряемого материала должно достигать глубины 0,6 – 0,8 мм; - необходимо, чтобы процесс упрочнения не был связан со значительным нагревом детали, приводящим к ухудшению свойств материала детали в целом, а также к короблению детали; - технология должна быть экологически чистой, энергосберегающей и простой в реализации. Ни одна из выше представленных технологий не удовлетворяет всему комплексу перечисленных условий. Вышеуказанным требованиям полностью удовлетворяет предлагаемая технология дискретного диффузионного упрочнения тяжело нагруженных деталей и узлов механизмов и машин, заключающаяся в имплантации в поверхностный слой детали легирующего материала с заданными физическими свойствами. При этом между материалом подложки и имплантируемым материалом образуется диффузионный пограничный слой, как показано на рис. 6. Рис. 6 Этот метод был разработан порядка 30 лет назад специалистами Киевского политехнического института. В его основе лежит идея, что если диффузионным способом нанести покрытие не сплошным слоем, как в вышеописанных примерах, а вбить его точечно, чтобы точки покрывали не всю упрочняемую поверхность, а примерно 70–95 % и покрытие как бы имплантировалось в подложку гнездами, то, как оказалось, такое покрытие работает на трение лучше сплошного из-за того, что материал покрытия, истираемый в процессе эксплуатации, находит себе место в промежутках между выступами и не разрушает остаток покрытия, работая как абразив, а напротив, упрочняет его, и покрытие не ухудшает своих свойств. Этот метод оказался нетехнологичным из-за глубоких каверн, образующихся в процессе имплантации легирующего материала в подложку, значительного выброса материала имплантации с существенным ухудшением чистоты обрабатываемой поверхности и интенсивного нагара, приводящего к окислению легирующих добавок, что значительно ухудшало качество упрочняющего слоя. В результате для последующего восстановления чистоты поверхности приходилось снимать до половины имплантированного слоя. Тем не менее, даже при указанных недостатках этот тип упрочнения обеспечивает двукратное упрочнение поверхности. Устранить указанные недостатки метода не удавалось. Как следствие, они тормозили широкое внедрение технологии в производство. Тем не менее, за этим методом потенциально признавалось будущее. 5. Сущность предлагаемой разработки В 2003 году производственно-исследовательская компания «Тави» (Харьков) обратилась к нам с просьбой создать для нее установку для дискретного диффузионного упрочнения по технической документации Киевского политехнического института. Документация действительно содержала недочеты, делающие принципиально невозможной правильную работу установки и естественным крайне низкое качество покрытия. Нами была произведена принципиальная доработка технологии на уровне физики процессов упрочнения и на базе этого была разработана, изготовлена и испытана совместно с фирмой «Тави» опытная установка, существенно отличающаяся от прототипа. В результате усовершенствования было получено дискретное покрытие с глубиной имплантации 0,6–0,8 мм (вместо 0,4–0,6 мм у прототипа), исключены из процесса условия образования нагара, интенсивного выплеска материала, а также условия образования каверн. Как показали испытания, для доведения упрочнённой поверхности до 1012 класса чистоты теперь достаточно было производить финишную шлифовку на глубину не более 0,1 мм и во многих случаях, как например при упрочнении валков прокатных станов, качество поверхности без окончательной шлифовки удовлетворяло требованиям качества поверхности проката даже при упрочнении валков чистовых клетей, в то время как при упрочнении по технологии-аналогу качество поверхности не удовлетворяло даже требованиям, предъявляемым к черновым клетям стана. Таким образом, по сравнению с прототипом было достигнуто преимущество в несколько раз и по глубине слоя, и по его равномерности, и по качеству поверхности, и по надежности работы установки. Важной особенностью технологии является то, что одновременно с имплантацией осуществляется наклёп материала подложки и имплантируемого материала с эффективной локальной закалкой, что резко повышает твёрдость поверхности и обеспечивает мелкозернистую структуру упрочнённого слоя. Указанные факторы играют существенную роль в обеспечении износостойкости упрочняемой поверхности детали. В связи с вышеуказанной особенностью, даже в случае имплантации материала самой детали достигается эффект упрочнения порядка 1,3 1,5 раз, т.е. эффект, который считается нормальным для некоторых других типов упрочнения. Внедрение же специально подобранных легирующих материалов резко повышает эффект, который при правильном подборе достигает 4 5 раз. Другой важной особенностью данной технологии является избирательный характер имплантации легирующего материала: производится упрочнение только тех поверхностей, которые подвержены износу. Структура и физико-химические свойства остальной детали, как и её сердцевины, остаются неизменными, температура детали в целом в процессе обработки повышается незначительно (не более 2030 оС) и может регулироваться без ухудшения эксплуатационных характеристик упрочнения. Дискретность имплантации легирующего материала может эффективно регулироваться и, как показала практика, имеет оптимум при плотности расположения упрочняемых зон в пределах 7080 % обрабатываемой поверхности. Типичный вид поверхности после упрочнения имеет вид, представленный на рис. 7. Рис. 7 Данной технологией могут упрочняться как наружные, так и внутренние поверхности, независимо от габаритности деталей и их конфигурации. Для обеспечения высокого класса чистоты поверхности может производиться финишная шлифовка без ухудшения характеристик износостойкости. Однако при получаемой чистоте поверхности шлифовка во многих случаях не обязательна. На этапе конструкторской разработки внедрение данного упрочнения позволит закладывать в проект более дешевые марки материалов. Ещё одной важной особенностью упрочнения по описываемой технологии является отсутствие специальных ванн, печей, камер. Упрочнение может осуществляться непосредственно в ремонтных цехах и требует переносной установки для упрочнения и стандартных токарных, фрезерных станков в зависимости от конфигурации детали и упрочняемой поверхности (для закрепления детали). При этом упрочнение может быть нанесено повторно при следующих капитальных ремонтах, что особенно важно в условиях ремонта деталей и узлов. Предлагаемая технология полностью экологически безопасна. Скорость обработки поверхности достаточно высока. Например, упрочнение коренных и шатунных шеек коленчатого вала автомобиля типа КАМАЗ осуществляется за 3040 минут с учетом технологического времени. Энергозатраты на обработку вала составляют порядка 1,52 кВт . час в зависимости от выбранного режима упрочнения. Представляемая технология легко автоматизируется. При этом резко сокращается и технологическое время, и время упрочнения. Последнее, в частности, становится возможным благодаря одновременной параллельной обработке нескольких поверхностей упрочняемой детали. Рис. 8 Рис. 9 Диапазон применимости технологии включает в себя упрочнение коленчатых валов самого разного типа, начиная от легкового автомобиля и вплоть до мощных судовых дизелей, дизелей газоперекачивающих станций, дизель-генераторов и т.д. На рис. 8 приведен акт внедрения технологии для упрочнения коленчатых валов на Харьковском авторемонтном заводе, где одновременно с испытанием в производственных условиях упрочнялись коленчатые валы автомобилей КАМАЗ для исполнения миротворческой миссии в тяжёлых условиях пустыни Ирака, а также валов двигателей лесовозов, на которые до этого ремонтные коленчатые валы вообще не устанавливались из-за особо тяжёлых условий работы двигателя. Упрочнению могут также подвергаться и внутренние поверхности гильз цилиндров. Важно, что данная технология применима для упрочнения деталей при втором и последующих капитальных ремонтах, когда повторное цементирование уже не может быть осуществлено, а характеристики упрочнения шеек вала значительно ухудшены износом рабочей зоны. Особенно ярко технология проявила себя в сталелитейном производстве, где разливка металла идет непрерывно, а режим работы приводит к необходимости слишком частой замены деталей. Например, через валки прокатных станов ручей еще красного металла с температурой 800–1000 градусов проходит со скоростью около 80 км/ч; в серии валков, постепенно формующих этот ручей в профиль заданного сечения, неупрочненные валки начальных ступеней формования (клетей) выдерживают не более суток работы. Затем ручей перенаправляют и валки меняют, причем из каскада в полтора десятка клетей валки начальных клетей требуют чуть ли не ежесуточной замены, – а это трудоемкая операция. Отработанные валки не подлежат ремонту и уходят в переплавку; замена одного комплекта обходится в сотни тысяч рублей. На основе сравнительных испытаний, проведенных на комбинате «Криворожсталь», установлено, что предлагаемое упрочнение исключительно эффективно при упрочнении тяжело нагруженных валков первых клетей прокатных станов, где проведенные предварительные испытания показали высокую эффективность данного упрочнения по сравнению с существующими. На рис. 9 приведен акт сравнительных испытаний валков, упрочненных по предлагаемой технологии. Аналогично этому, высокий эффект следует ожидать при упрочнении по данной технологии формующих калибров в трубопрокатном производстве. Важной сферой применения указанного покрытия является упрочнение жерновов мельниц любых типов, от дробящих породу на горнообогатительных комбинатах до мукомольного производства и крупорушек в пищевой промышленности, – т.е. там, где износ поверхности столь интенсивный, что существенно ограничивает производительность и все известные методы упрочнения не приводят к требуемым результатам. Предлагаемая нами технология позволяет эффективно упрочнять поверхность, обеспечивая высокую износостойкость. Приведенный перечень достаточно легко может быть расширен за счёт включения широкого спектра приложений, начиная от насущной необходимости упрочнения быстроизнашивающихся стрелок железнодорожного полотна до упрочнения внутренней поверхности жерл пушек. И это расширение может быть постепенно реализовано по мере внедрения предлагаемой технологии. 6. Права на интеллектуальную собственность Установка-прототип и технология, которую она осуществляла, запатентованы Киевским политехническим университетом. Установка предыдущего поколения, созданная нами, и осуществляемая ею технология, модифицированная нами, запатентованы на Украине директором компании «Тави» В.Г. Гончаровым как его интеллектуальная и коммерческая собственность. Созданная нами технология основана на ином видении электрофизики процесса, а установка имеет принципиально отличную схему. И предлагаемая модификация технологии, и схема установки не имеют аналогов в мире и обе они патентоспособны, но пока не запатентованы. 7. Конкурентные преимущества Предлагаемую технологию можно сравнить со следующими разновидностями упрочнения: Таблица 1 Диффузионная технология Газоплазменная технология Газоплазменная технология Газоплазменная технология Электроискровая обработка МВТУ им. Баумана МЕТОЛИТ Flame Spray coating Co. Inc. Cincinnati Thermal Spray Swain Technology, Inc. (New York) Россия Минск, Беларусь США США США При достигнутых нами технологических отличиях, из этих косвенных аналогов ближе всех к нашей технологии даже не диффузионная технология МВТУ им. Баумана, а электроискровая обработка компании Swain Technology, показанная на рис. 5. Эта последняя проявляет следующие свойства в сравнении с нашим продуктом: Таблица 2 Глубина упрочняющего слоя Коэффициент упрочнения Технологические возможности Экологическая безопасность Механическая прочность покрытия Ударная, термои баро- стойкость Непродуктивный расход легирующего металла 0,1-0,2 мм 1,2-1,5 Не упрочняет легированный чугун Повышенная запыленность и задымленность Плохо работает на ударные нагрузки Низкая 0,6-0,8 мм 2,5-3 Упрочняет легированный чугун Отсутствие указанных дефектов Хорошо работает на ударные нагрузки Высокая Большой Практически устранен Разработка полностью авторская и уже не имеет никаких параллелей с аналогами; соответственно, ее изготовление и распространение не требует никаких специальных разрешений, лицензий и сертификатов. 8. Рынок сбыта Спрос на упрочняющие технологии чрезвычайно высок во всех отраслях производства и обслуживания техники, где имеются детали, нагруженные трением, термо-, баро, ударными нагрузками и их комбинациями. Существующие технологии удовлетворяют потребности лишь частично и условно, в отсутствии лучших решений. Предлагаемая технология не имеет аналогов по эффективности, она экологически безопасна, проста в эксплуатации, нетрудоемка, имеет малые габариты и не требует специальных камер и дополнительного оборудования, а потому легко доставляется к потребителю в случае разовых заказов. Ее возможно приспосабливать к нуждам конкретного потребителя в его конкретном производственном цикле, она легко автоматизируется в серийном производстве. Всё это создает самую широкую перспективу применения технологии практически во всех отраслях машиностроения, особенно тяжелого и среднего, всех видов транспорта, в металлургии, трубопрокатном производстве, в оборонной, горнодобывающей, пищевой промышленности и мн. др. Для иллюстрации цены покрытия в эксплуатации и широты возможностей его применения ниже приводится прайс-лист фирмы Swain Technology для деталей автомобилей. Таблица 3 Cylinder Heads - TBC Thermal Barrier Coating in combustion chambers and on valve faces 10-Cylinder Heads (pair) $310.00/pr. 8-Cylinder Heads (pair) $240.00/pr. 6-Cylinder Heads (pair or inline) $190.00 4-Single Cylinder/per cylinder $160.00 2-Cylinder Head $ 80.00 Single Cylinder (liquid or air) $ 40.00 Exhaust Ports when coating chambers $ 12.00/ea. Flow Coat Intake Ports when coating chambers $ 12.00/ea. Valves and Valve Train - Steel, Titanium, Sodium Filled or Stainless can be coated Faces and Radius Side (TBC) $ 10.00/ea. Faces only (TBC) $ 8.00/ea. Radius Side (TBC) $ 8.00/ea. Stem (PPM) Low Friction $ 7.25/ea. Valve Springs (set of 16) $ 116.00/set Camshaft-Lo Friction $ 70.00/cam Cam Follower-Lo Friction $ 8.00/ea. Stamped Rocker Arm & Ball (16) $ 126.00/set Intake Manifold Bottom TBC Ceramic $110-225 Top TBC Ceramic $110-225 Top and Bottom TBC Ceramic $170-300 Top BBE Heat Radiating Coating) $ 95-175 Inside Runners Ultra-Flow Coating $125.00/set Inside Runners TBC Ceramic $150.00/set Diesel Engine Components- Cummins, Caterpiller, Detroit, Mack or Others Piston (Dome (TBC) & Skirt (PM), 4.5" & over)) $ 60.00/ea. Piston (Dome (TBC) & Skirt (PC-9)) $ 69.00/ea. Light Truck Piston (TBC & PM) $ 45.00/ea. Skirt Only - Poly Moly $ 28.00/ea. Bearings (PPM High Load Wear Coating) $ 12.75/ea. Exhaust Manifold 6-Cylinder (TBC-EX) $260.00 Heads and Valves Quote 2-Cycle Engine Components - Snowmobile, Motorcycle, Go-Kart, Outboard, Jet Ski, etc.. Pistons (TBC Dome & PM Skirts) $ 32.00/ea. Heads (TBC)/per chamber $ 40.00/ea. Exhaust Port $ 40.00/ea. Transfer Port $ 45.00/ea. Exhaust System (size dependent) see pg.2 Head BBE Heat Dissipating (Exterior) $ 45.00/per cylinder Cylinder BBE Heat Dissipating (Exterior) $ 65.00/per cylinder Brake Components Calipers (TBC & BBE) $125.00 Pads (Back with TBC) $ 10.00 Extra Pistons (TBC) $ 15.00 Rotors (High Friction Lo-Heat) $150.00 Engine Bottom End Components Crankshaft Low Friction (Oil Shedding) $170.00/ea. Connecting Rods (oil Shedding) $20.00/ea. Bearings -Single $8.00/ea. ................-Main 8,6 or 4 Cyl., Rod 8 Cyl $41.50/set ................-Rod 6 Cyl $35.50/set ................-Rod 4 Cyl $28.50/set Oil Pump $55.00/ea. Miscellaneous Parts for Special Power Coatings Rotary Rotor Faces (TBC) $150.00/ea. Rotary Rotor Gears (PPM) $ 75.00/ea. Gears-Low Friction $ 5-25/ea. Shafts-Low Friction $ 8-30/ea. Ring & Pinion - Low Friction $ 80.00/set Air Cleaner Housing & Shields (TBC) $175.00 Water & Oil Coolers (BBE) Quote Фирма «ТАВИ» ставит цену около 15 россйских копеек за 1 кв. мм покрытия, что составляет 3–4 тысячи рублей за один коленвал мощного дизеля. Наши цены могут быть в полтора-два раза ниже, что при значительно более высоких (в разы) эксплуатационных показателях и дополнительных возможностях и преимуществах ставит нашу технологию вне какой-либо конкуренции как на внутреннем, так и на мировом рынке. Предлагаемый продукт может распространяться на рынке по самым различным схемам: – создание сети обслуживающих центров упрочнения, оказывающих услуги организациям, компаниям и частным лицам – например, при автомобильных СТО и машинотракторных станциях, обрабатывающих детали автомобилей и сельскохозяйственной техники при их текущем ремонте, а также детали местной пищевой промышленности (жернова мельниц и крупорушек), или создание сети отдельных мастерских; – включение в эту сеть также специально организованных производственных участков при заводах, обеспечивающих нужды данного производства и также выполняющих заказы других потребителей, на основах кооперации с предприятием; – продажа установок заинтересованным предприятиям; – продажа установок с технологией, отладкой и курированием и без них (по желанию потребителя) конкретным предприятиям и создание у них участков по нанесению данного типа покрытия в составе предприятия; – разработка установок, приспособленных к нуждам и производственному циклу конкретного производителя конкретной отрасли, внедрение, отладка, курирование и дальнейшее развитие данной технологии для данного производства, включая автоматизацию процесса при его включении в серийное производство; – продажа патента и/или лицензий на данный вариант технологии и данный тип установок. Первичное продвижение товара на рынок требует обычных организационных усилий и информационной поддержки, дальнейшее – проведения полного комплекса лабораторных исследований свойств и параметров полученного покрытия, анализа полученных данных, отработки вариантности покрытий с помощью данной технологии, обеспечивающих те или иные параметры возможных потребителей. Все эти мероприятия планируется проводить отчасти на отчисления из прибыли, полученной от товара, первично вступившего на рынок, отчасти по договорам с предприятиями-заказчиками. Из этих же средств планируются расходы на патентование технологии и установки. 9. Порядок коммерциализации результатов разработки На данный момент команду проекта составляют разработчики Сергей Борисович Каравашкин и Ольга Николаевна Каравашкина. Мы сознаём, что взять на себя менеджмент по данному проекту хоть и возможно, но это потребует в значительной мере отказаться от исследований, которые мы успешно ведем в фундаментальной науке. Поэтому мы самостоятельно не продвигаем товар на рынок, а предлагаем заинтересованным лицам принять долевое участие в данном проекте и его развитии в аспекте менеджмента данного продукта, оставив нам курирование внедрения с инженерной стороны и разработку дальнейших поколений и модификаций установки. Предварительное маркетинговое исследование проведено; продукт имеет мощный спрос и перспективу развития; поскольку опытный образец готов и прошел стендовые испытания, похоже, что в этом проекте уже нет объективных рисков. В портфеле лаборатории есть еще немалый задел родственных технологий и инженерных разработок в других областях; это дает нам основание рассматривать данный проект как трамплин. На данном этапе мы можем предложить к рассмотрению потенциальных партнеров целый спектр вариантов сотрудничества и соответствующее долевое участие, в зависимости от долгосрочности и разносторонности их интереса в проекте: от разовой покупки у нас существующей установки и технологии или ее совместной эксплуатации до строительства завода по серийному производству, продаже, внедрению, курированию новых установок и созданию новых поколений установок и вариантов технологии под нужды конкретного потребителя. Поскольку нам уже сейчас видны варианты технологии для ее приспособления к нуждам конкретных пользователей, а также новое поколение установки с еще более высокими показателями и меньшими габаритами, предпочтителен долгосрочный партнер для гибких отношений и последующего масштабного развертывания дела. 10. Состояние и источники инвестирования в реализацию проекта Работа выполнялась нами по собственной инициативе, финансировалась нами и выполнена полностью самостоятельно, от идеи и разработки до воплощения установки в металле, ее стендовых испытаний и предварительного маркетингового исследования. В другие организации за инвестициями или содействием мы не обращались. Технология готова к внедрению, предполагает хорошую окупаемость и банковские кредиты как таковые данному проекту не нужны. Нужны партнеры, которые помогут развить дело на взаимовыгодных основах. В зависимости от того, как сложится общность интересов, возможны инвестиции для ускорения подъема дела. Предлагаемая доля инвестора в проекте при организации серийного производства установок и/или при организации сети центров упрочнения: 10 % финансирование продвижения технологии на рынок + 10 % маркетинговое обеспечение проекта + 20 % менеджерское обеспечение проекта + 30 % (10 + 20) финансирование и организация производства. При продаже технологии: финансовое обеспечение продажи 10 % + организационное обеспечение продажи 10 % + юридическое обеспечение патентования и продажи 30 % (10 + 20). Долю и характер участия определяет инвестор. 11. Предстоящие затраты по проекту По договоренности сторон, в зависимости от выбранной инвестором программы сотрудничества. Целью предлагаемого проекта является внедрение технологии дискретного диффузионного упрочнения нагруженных деталей узлов и механизмов, существенно улучшающего их эксплуатационные характеристики и способствующего удлинению срока эксплуатации; получение коммерческой выгоды от внедрения; создание условий для дальнейшего развития вышеуказанной технологии. Реализация данной цели предполагается по следующим направлениям: производство установок для нанесения дискретного диффузионного покрытия с последующей реализацией заинтересованным российским и зарубежным коммерческим компаниям и предприятиям; продажа лицензий. Указанные направления обеспечены: исследованиями эффективности дискретного покрытия на конкретном ассортименте тяжело нагруженных узлов двигателей, валков прокатных станов; отлаженностью технологии упрочнения на предыдущих поколениях установок, осуществляющих упрочнение по предлагаемой технологии; комплексом преимуществ и эксплуатационных характеристик, которые обеспечиваются данной технологией упрочнения и которые не могут быть реализованы другими технологиями упрочнения в области тяжело нагруженных деталей, узлов и механизмов; созданием установки следующего поколения; успешными стендовыми испытаниями установки следующего поколения. Дальнейшая реализация плана предполагает: создание коммерческой структуры для реализации поставленной цели; обкатку установки нового поколения в промышленных условиях с одновременной отработкой режимов упрочнения конкретных деталей узлов и механизмов для последующего извлечения прибыли; маркетинговые исследования с выявлением наиболее перспективных направлений извлечения прибыли и потенциальных заказчиков и бизнес-партнеров; развитие выявленных направлений коммерческой деятельности; создание условий для развития технологии и расширение сферы внедрения технологии с целью создания установок следующего поколения и внедрения их в производство для получения коммерческой прибыли. Актуальные области внедрения технологии: упрочнение коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и дизелей легковых и грузовых автомобилей, дизелей средней и большой мощности для локомотивов, судов, газоперекачивающих станций и т.д., в том числе упрочнение при первом и втором капитальных ремонтах; валки прокатных станов; жернова различного назначения. Предполагаемая эффективность вложения средств не менее 200%. Она обеспечена эффективностью упрочнения и сравнительной дешевизной его нанесения. В частности, ожидаемая себестоимость упрочнения коленчатого вала КАМАЗа ожидается на уровне 1015 у.е. при коммерческой стоимости 4050 у.е. Перспективные области внедрения ожидаются в следующих направлениях: упрочнение железнодорожных стрелок и рельсов; упрочнение и восстановление деталей ответственных узлов прецизионных станков; упрочнение деталей ответственных узлов военной техники.
