Застосування наноструктурних матеріалів

9.5.1. Конструкційні, інструментальні і триботехнічні матеріали. Конструкційні машинобудівні наноматеріали загального призначення поки що не набули широкого розповсюдження. Стосовно порошкових консолідованих матеріалів це пов’язано з обмеженням розмірів і форми порошкових виробів та переважно з труднощами збереження наноструктури під час спікання. Низькі плинність і пресованість, легкі окиснюваність і забруднюваність, агломерованість – усе це створює труднощі при застосуванні порошкових наноматеріалів. Недоліками багатьох порошкових та інших наноматеріалів є низькі пластичність і залишкова пористість.

Однак є приклади спечених мідних ультрадисперсних порошків, оброблених методом гідростатичної екструзії, які продемонстрували можливість отримання зразків з високою міцністю і достатньою пластичністю.

Цирконієві сплави з домішками алюмінію, нікелю, срібла і міді, які отримані методом контрольованої кристалізації з аморфного стану, також продемонстрували високі механічні властивості під час випробувань на розтягання і стиск із задовільними характеристиками пластичності.

Є приклади використання наноструктурної нікелевої стрічки, отриманої методом електроімпульсного осадження. Ця стрічка завдяки високим параметрам міцності, пластичності, втоми та антикорозійним характеристикам широко застосовується для плакування поверхонь парогенераторної апаратури атомних станцій і різних виробів добувної та військової галузей промисловості.

Технологія рівноканального кутового пресування є перспективною для отримання високоміцних і пластичних металів, сплавів та інтерметалідів, які можуть застосовуватися не тільки як конструкційні матеріали в машинобудуванні, але й як функціональні компоненти в інших галузях.

У цілому, характеристики міцності і твердості металевих наноматеріалів вищі від таких самих для звичайних матеріалів приблизно в 4…6 разів, але параметри пластичності нижчі, і часто металеві наноматеріали поводять себе як крихкі матеріали. У зв’язку з цим важливе конструкційне оформлення, яке повинно забезпечити надійну експлуатацію виробів переважно в умовах стиску шляхом запобігання розповсюдженню крихких тріщин і підвищення допустимого рівня напружень руйнування в декілька разів.

Керметні нанокомпозити на основі Al₂O₃ з домішками Мn і FeCr (розмір кристалітів 40…60 нм) можуть бути виготовлені механохімічним синтезом з подальшим гарячим ізостатичним пресуванням. Ці матеріали, що мають твердість 10…15 ГПа і тріщиностійкість 7…9 МПа·м^1/2, можуть розглядатися як перспективні для виготовлення низько- і високотемпературних вузлів тертя, а багатофазні оксидні і безоксидні нанокомпозити – як перспективні жаростійкі матеріали. Велика температурна міцність нанокомпозитів на основі SiC з різними домішками дозволяє використовувати їх для створення газотурбінної техніки.

За умов експлуатації виробів з наноматеріалів в інструментальній промисловості, а також у різних галузях загального і спеціального машинобудування приймають у більшості випадків (за винятком ударних і знакозмінних навантажень) схему стискальних напружень, тобто зниження характеристик пластичності не є катастрофічним. При створенні компактів і плівок з нанокристалічною будовою значно підвищується твердість, а це в загальному випадку приводить до збільшення зносостійкості, що може бути використано для різального інструменту і фрикційних виробів. Перспективними є надтверді наноструктурні матеріали на основі тугоплавких сполук.

Проводяться дослідження в галузі інструментальних наноматеріалів (тверді сплави, швидкорізальні сталі, чистовий інструмент із нанокристалів алмазу, нові надтверді матеріали). Домішки нанопорошків карбіду вольфраму (5…8 %) до стандартних твердих сплавів підвищують однорідність структури і знижують розбіг значень за міцністю.

У зв’язку з високими показниками твердості (HV = 22…24 ГПа) і тріщиностійкості (близько 10 МПа·м^1/2) нанокристалічні тверді сплави є також перспективними матеріалами для виготовлення бурового інструменту, який призначений для глибоководного морського нафторозвідування.

Зразки надтвердих фулерітів (консолідованих фулеренів С₆₀) були отримані компактуванням при високому тиску (9…13 ГПа) в інтервалі температур 200…1600 °С. Оптимальні значення твердості таких зразків складають 100 ГПа, а модуль об’ємної пружності більший, ніж для алмазу, і становить понад 500 ГПа. Ці матеріали з унікальними механічними властивостями вже застосовуються для виготовлення інденторів і пристроїв, які вимірюють твердість і трибологічні характеристики твердих матеріалів, включаючи наноструктурні плівки.

Наноструктурні карбідні, нітридні і боридні плівки (TiC, TiN, TiB₂, Мn(CN), (Ti, Al)N та ін.) використовуються в багатьох країнах у промисловому масштабі як зносостійкі покриття на металообробному інструменті, що підвищує його ресурс роботи в декілька разів.

У промисловості вже давно ефективно використовують полірувальні і протиспрацьовувальні пасти на основі наночастинок. Їх уводять у зони тертя машин і різних механізмів, що значно підвищує ресурс роботи і покращує багато техніко-економічних показників.

Для аерокосмічних технологій розроблені нові плівкові антифрикційні композиційні наноматеріали на основі TiN–MoS₂, TiB₂–MoS₂, WC–аморфний вуглець–WS₂. Ці об’єкти отримують методом магнетронного розпилювання або лазерного випаровування. Вони характеризуються, з одного боку, значною твердістю (близько 10…20 ГПа), що забезпечує високу зносостійкість, а з іншого – низьким коефіцієнтом тертя (менше 0,1), що обумовлено наявністю у структурі так званих твердих мастил. Розмір фазових включень становить менше 5…10 нм. Ці матеріали можуть стабільно використовуватися в різних середовищах (у вакуумі, вологому повітрі, азоті та ін.) у широкому інтервалі температур.

Додавання частинок і волокон у полімерні матриці – добре відомий прийом підвищення фізико-механічних властивостей виробів, а також їх вогнестійкості. Заміна багатьох металевих матеріалів на полімери, армовані наночастинками, приводить до зменшення маси автомобіля, що знижує потреби бензину.

Інтенсивно вивчаються фізико-механічні властивості нанокомпозитів, які містять домішки нанокристалів алмазу і вуглецевих нанотрубок.

9.5.2. Пористі наноструктурні матеріали використовуються для дифузійного розділення газових сумішей. Значна увага приділяється також вивченню каталітичних, сорбувальних і фільтрувальних властивостей вуглецевих нанотрубок. Установлені високі сорбувальні характеристики при очищенні газів від канцерогенних діоксинів.

Фотокаталітичні властивості нанокристалічного TiO₂ застосовуються в приладах для очищення повітря від органічних забруднень побутового і промислового походження. Принцип дії таких приладів полягає у фотокаталітичному окиснюванні органічних домішок на поверхні нанокристалічного TiO₂ під дією ультрафіолетового випромінювання.

Плівки і високопористі шари з TiO₂ і CdSe є перспективними для сонячних батарей і світлодіодів.

Ультрадисперсні порошки використовують для виготовлення багатошарових фільтрів тонкої очистки. Тонкість фільтрації для газових середовищ таких фільтрів може сягати 10 нм, а для рідких середовищ – 10…100 нм.

9.5.3. Матеріали зі спеціальними фізичними властивостями. Це численна група матеріалів, призначених для виготовлення магнітном’яких і магнітнотвердих виробів, провідників, напівпровідників і діелектриків; різних компонентів лазерної, вимірювальної, розрахункової та атомної техніки, приладів.

В останні роки завдяки вивченню властивостей наноматеріалів, отриманих контрольованою кристалізацією з аморфного стану, японськими вченими був відкритий новий клас магнітном’яких матеріалів з більш високим рівнем статичних і динамічних магнітних властивостей в порівнянні з аналогічними за призначенням кристалічними та аморфними сплавами. Це сплави на основі Fe–Si–B з невеликими домішками Nb, Cu, Zr і деяких інших перехідних металів. Після гартування з розплаву ці сплави стають аморфними, а оптимальні параметри досягаються після часткової кристалізації при температурі 530…550 °С, коли виділяється впорядкована нанокристалічна фаза Fe–Si (18…20 %) з розміром частинок близько 10 нм. Об’ємна частка наночастинок в аморфній матриці становить 60…80 %. Ці сплави мають низьку коерцитивну силу (5…10 А/м) і високу початкову магнітну проникність, що забезпечує їх широке застосування в електротехніці як осердя трансформаторів, магнітних підсилювачів та імпульсних джерел живлення, а також у техніці магнітного запису. Це сприяє мініатюризації пристроїв і стабільній роботі устаткування в широкому діапазоні частот і температур.

Поширення набувають і нанокристалічні магнітнотверді матеріали на основі Fe–Nd–B і Fe–Sm–N, які отримують переважно методами механохімічного синтезу. Високі значення коерцитивної сили і магнітної енергії забезпечують їх ефективне застосування при виготовленні постійних магнітів невеликих розмірів, що важливо для мініатюризації в багатьох галузях техніки.

Магнітні властивості ультрадисперсних порошків використовують у феромагнітних рідинах, які застосовуються у вакуумних ущільнювачах, гасителях коливань та інших пристроях.

Поєднання високої електропровідності і міцності необхідне під час створення матеріалів для великих магнітних систем з високою напруженістю магнітного поля. Перспективними в цьому плані є дротові нанокомпозити типу Cu–Nb, технологія виготовлення яких полягає в сумісному волочінні мідних і ніобієвих прутків. У кінцевій структурі композита середній розмір ніобієвих волокон становить близько 100 нм, міцність на розтяг досягає 1,25 МПа, а електропровідність – близько 70 % від електропровідності чистої міді.

Провідні наноструктурні плівки TiN, TiB₂ та інші використовують як бар’єрні шари для запобігання дифузійному взаємопроникненню металевих компонентів у різних вузлах електронної техніки.

Уведення металевих наночастинок для зміни електропровідності і міцності широко застосовується в полімерному матеріалознавстві. Суттєве збільшення електропровідності полімерних матеріалів спостерігається при додаванні вугільних нанотрубок.

Термоелектричні наноматеріали, особливо шаруватого типу, є перспективними як для систем прямого перетворення сонячної енергії на електричну, так і для кріотехніки. Пористі наноструктурні матеріали є перспективними для ядерної техніки.

КОНСТРУКЦІЙНІ СТАЛІ

10.1. Сталі підвищеної та високої оброблюваності різанням (автоматні сталі)

До цієї групи конструкційних сталей належать сталі, які обробляються на швидкохідних автоматах із суттєво підвищеним зняттям стружки. Різальний інструмент для обробки цих сталей відрізняється стійкістю при підвищених швидкостях різання, а готові деталі мають дуже чисту і гладку поверхню.

Для підвищення оброблюваності різанням застосовують вуглецеві сталі зі збільшеною концентрацією сірки (0,08…0,30 %) та фосфору (0,06 %). У цих сталях сірка знаходиться у вигляді сульфідів марганцю, витягнутих уздовж напряму прокатки, які сприяють утворенню короткої та ламкої стружки, а також зменшують тертя між стружкою та інструментом. У зв’язку з присутністю сульфіду марганцю, що діє як мастило, фосфор підвищує твердість, міцність і поріг холодноламкості та сприяє утворенню ламкої стружки й отриманню гладкої блискучої поверхні при різанні.

У табл. 10.1 відповідно до ГОСТ 1414–75 наведений хімічний склад деяких автоматних сталей.

Таблиця 10.1. Хімічний склад автоматних сталей

Марка сталі	Концентрація елементів* , %
C	Mn	Si	S	P	Pb	Se
A11	0,07…0,15	< 0,10	0,80…1,20	0,15…0,25	< 0,10	–	–
A12	0,08…0,16	0,70…1,00	0,15…0,35	0,08…0,20	0,08…0,15	–	–
A20	0,17…0,24	0,70…1,00	0,15…0,35	0,08…0,15	< 0,06	–	–
A30	0,27…0,35	0,70…1,00	0,15…0,35	0,08…0,15	< 0,06	–	–
A40Г	0,37…0,45	1,20…1,55	0,15…0,35	0,18…0,30	< 0,05	–	–
АС14	0,10…0,17	1,00…1,30	< 0,12	0,15…0,20	< 0,10	0,15…0,30	0,04
А35Е	0,32…0,40	0,50…0,80	0,17…0,37	0,06…0,12	< 0,035	–	0,10

* Основа – залізо.

Автоматні сталі маркують буквою А (автоматна) з цифрами за нею, які показують середню концентрацію вуглецю в сотих частках відсотка: A11, А12, А20, А30, А35. Із сталі А12 на швидкохідних автоматах виготовляють гвинти, болти, гайки і різні дрібні деталі складної конфігурації, а з А20, А30, А40Г – деталі, що працюють в умовах підвищених напружень. Ці сталі випускають без термічної обробки, у вигляді високовідпущених (відпалених) загартованих профілів, що калібруються.

Добре обробляються точінням на верстатах-автоматах сталі зі структурою пластинчастого перліту, при цьому стружка легко відділяється. Механічні властивості гарячекатаної сталі такі: s_в = 500…750 МПа; d = 22…14 %. Холоднотягнуті сталі (прутки діаметром до 20 мм) мають більш високі значення цих показників: s_в = 600…800 МПа і d = 7…6 %. Сталі з підвищеною концентрацією сірки відзначаються великою анізотропією властивостей, схильні до крихкого руйнування і мають знижену границю витривалості. Для усунення ліквації сірки та запобігання червоноламкості застосовують дифузійний відпал автоматної сталі при температурі 1100…1150 °С.

Поліпшення оброблюваності сталі досягається також шляхом мікролегування сталі Pb, Ca, Se, Те, які утворюють у її структурі включення металевих та неметалевих сполук. Ці включення створюють в епіцентрі різання внутрішнє мастило – найтонший шар, який перешкоджає з'єднанню матеріалу інструмента з матеріалом оброблюваної деталі і полегшує відділення стружки.

Свинець покращує оброблюваність сталі при знижених і середніх швидкостях різання та якість оброблюваної поверхні. Легування сталі 0,15…0,30 % Рb підвищує швидкість різання на 20…35 %, а при збереженні постійної швидкості різання збільшує стійкість інструмента в 2…7 разів. Автоматні сталі, що містять свинець, покращені і цементовані (нітроцементовані), застосовують в автомобільній промисловості для деталей, що виготовляються з прутків на металорізальних і холодновисаджувальних автоматах. Так, сталі АС38Г2, АС30ХМ, АС38ХГМ і АС40ХТНМ після гартування і високого відпуску при 550…620 °С мають s_в = 900…1000 МПа, s_0,2 = 750…850 МПа і d = 11…12 %. Їх застосовують для виготовлення черв'яка рульового керування, вала масляного насоса, кільця упорного підшипника та ін. Сталі АС12ХН, АС14ХГН, АС19ХГН призначені для виготовлення осей сателітів диференціала, фланця масляного насоса, тяги, гайок, муфт, деталей типу проміжної шестірні заднього ходу та ін. Слід мати на увазі, що свинець знижує s_–1 високоміцних сталей (s_в > 1200 МПа) і сприяє їх крихкому руйнуванню при нагріванні до 200…500 °С. Для запобігання червоноламкості в сталях збільшують кількість марганцю. Сталі, що містять свинець, поставляють після поліпшення або ізотермічного відпалу.

Сталі для деталей, що піддаються складній механічній обробці (колінчасті вали, шатуни та ін.), а також нержавіючі сталі для поліпшення їх оброблюваності різанням мають підвищену концентрацію сірки (0,06…0,10 %); крім того, їх легують селеном (0,04…0,10 %); сталі А35Е, А40ХЕ (Е–селен) застосовують після нормалізації. У сталях, що містять селен, зменшується схильність до крихкого руйнування, внаслідок чого збільшується швидкість різання в 1,5…1,8 разу, а стійкість інструмента – більш ніж у два рази. Підвищення оброблюваності відбувається завдяки утворенню селенідів і сульфоселенідів, які покривають тверді оксидні включення і тим самим запобігають їх впливу на тертя. Крім того, селеніди зберігають глобулярну форму після обробки тиском, тому практично не викликають анізотропії властивостей та не погіршують корозійної стійкості сталі, як сірка.

При модифікуванні автоматної сталі кальцієм (уводиться в рідку сталь у вигляді силікокальцію) відбувається глобулізація сульфідних включень, що позитивно впливає на оброблюваність, але не так активно, як сірка і фосфор. Сталі, що містять кальцій (АЦ – автоматна, містить кальцій) у кількості 0,002…0,008 %, дешеві і нетоксичні, тому рекомендовані до широкого використання (АЦ20, АЦ30, АЦ40Х, АЦ40Г, АЦ30ХМ, АЦ20ХН3 та ін.).