3. Наиболее востребованные нанопорошки

Среди нанопорошков из оксидов металлов наиболее распространены диоксид кремния, диоксид титана и оксид алюминия. На них, как отмечалось выше, приходится более 80% всего производства порошков из оксидов металлов.

Кроме указанных выше в мире производятся нанопорошки из оксидов железа, цинка, церия, циркония, иттрия, меди и магния. В последнее время налажен выпуск нанопорошков из оксидов редких металлов:

1. Оксид неодимия — Nd2O3

2. Оксид европия — Eu2O3

3. Оксид диспрозия — Dy2O3

Особое место в нанотехнологии занимает производство порошков из чистых металлов. Промышленное применение многих из них в настоящее время существенно расширяется. Применение нанопорошков из чистых металлов пока ограничивается тем, что затраты на производство однородных порошков металлов с высокой степенью чистоты и заданной размерностью значительно выше, чем на производство оксидов металлов. По объему производства лидируют пять нанопорошков: нанопорошки порошки железа, алюминия, меди, никеля и титана [4].

Нанопорошки из драгоценных металлов производятся в мире в ограниченных объемах. Среди них можно отметить:

1. Металлическое серебро — Ag

2. Металлическое золото — Au

3. Металлическая платина — PtОтдельное место в производстве нанопорошков отведено

кремнию Si

В современной технике получило распространение применение нанопорошков из смесей и сложных оксидов.

Наиболее распространенными нанопорошками из сложных оксидов являются:

1. Сурьмяно-оловянный оксид— Sb2O3/SnO2

2. Индие-оловянный оксид—In2O3/SnO2

3. Нитрид кремния— Si3N4

4. Титанат бария— BaTi03

5. Вольфрамово-кобальтовый карбид — WC/Co

6. Наноалмазы — C

4. Приминение нанопорошков

В качестве наиболее технологических приемов получения металлических нанопорошков отечественными специалистами рекомендуются методы электрохимической электрокристаллизации и испарения – конденсации металлов.

Однако выполненные нами исследования свидетельствуют, что наибольшие перспективы наноинженерии поверхностей, особенно применительно к машиностроению, в том числе и судовому машиностроению, можно связывать с ультрадисперсными структурированными порошками, получаемыми из природных активных минералов, которые отличаются максимальными значениями внутренней энергоплотности.

Исторически первыми минералами, которые начали широко применяться в целях

устранения износа машин, были серпентинитовые породы. Таким образом, природные

«зеркала скольжения» пластов горных пород явились прототипом вторичных трибоструктур, формируемых на поверхностях деталей машин. В настоящее время серпентиниты являются наиболее распространёнными, но не самыми эффективными по своим характеристикам, природными материалами, которые уже в ближайшее время найдут широкое применение в машиностроении. В целом в ходе выполненных исследований были изучены: серпентиниты Mg6[Si4O10] (OH)8. шунгиты,

хлоридтримолиты, ряд оксидов кремния. ряд Al2O3 (с полудрагоценными камнями). жадеит NaAlSi2O6. различные аллотропные фазы углерода. слюды, например, КMg3Al Si3O10(OH)2. циркон Zr[SiO4], бадделеит ZrO2, эвдиалит Na12Ca6Fe3Zr3[Si3O9][Si9O24(OH)3]2, оливин Mg1,8 Fe0,2 [SiO4], ряд форстерита Mg2SiO4, и многие другие комбинированные вещества.

На практике возможны различные технологии нанесения минеральных покрытий или технологии формирования вторичных трибоструктур. Технологии могут различаться как по варианту нанесения покрытия, так и по применяемому ультрадисперсному порошку из природного минерала. Для каждой технологии характерна определенная продолжительность или период формирования вторичных трибоструктур.

Внести нанопорошок из активного минерала в зону контактного взаимодействия возможно в виде добавки к смазочной или охлаждающей среде. При этом необходимо

соблюдать строго определенную концентрацию порошка. Как правило, оптимальная концентрация порошка не превышает 1% от объема рабочей, смазывающей или охлаждающей жидкости. В результате естественного процесса работы механизма на его рабочих поверхностях (смазываемых или охлаждаемых) формируются вторичные структуры, отличающиеся повышенной стойкостью ко всем видам изнашивания. Кроме этого сформированные вторичные структуры способствуют снижению остаточных напряжений, устранению отдельных дефектов структуры материала и т.д.

На практике допустимо введение порошка и в структуру конструкционных материалов, из которых выполнены узлы, детали и механизмы. Это в равной степени касается как металлических, в том числе и порошковых, так и неметаллических полимерных антифрикционных материалов или иных материалов. При таком варианте необходимо соблюдать ряд условий, важнейшим из которых является предельная температура формирования детали или материала не превышающая 1400-1800оС.

Наносить минерал на поверхность можно также прямым механическим натиранием, или методом механического вдавливания роликом, или с помощью ультразвуковой обработки,

или комбинацией механического натирания с последующей обработкой ультразвуком. Все эти технологии прошли проверку и уже сегодня могут быть рекомендованы для широкого внедрения.

Можно ограничиться либо одним типом минерала, либо в зависимости от условий эксплуатации можно наносить комбинированные слои из различных минералов в зависимости от принципа функциональной специализации конкретного природного материала. Наиболее простой и доступной технологией нанесения на поверхности

минеральных покрытий является нанесение ультрадисперсного порошка серпентинита методом механического вдавливания или натирания с использование фетра. Для тяжелонагруженных узлов трения различных изделий, работающих в условиях воздействия исключительно агрессивных сред, целесообразно наносить на поверхность нанопорошок кварца методом механического вдавливания роликом и нанопорошок серпентинита методом механического вдавливания фетром. Для всех этих операций на производствах использовался один типовой токарно-винторезный станок 1М63. На некоторые изделия покрытия наносились из смеси порошков кварц*серпентинит с индустриальным маслом И-20 путем механического вдавливанием этой смеси при помощи шлифовального круга из фетра.

Технологии формирования вторичных трибоструктур из активных минералов были внедрены на узлах трения различных автомобилей (легковых и грузовых – всего более 20

марок). На портовых грузоподъемных кранах «Кондор», КПП -10/12,5, КПП-5-30, «Коне», «Альбатрос». Испытывались модифицированные компрессорные установки и др. Модификации подвергались узлы и детали более 40 моделей различных станков механической обработки, различный режущий инструмент.

Наибольших масштабов внедрение активных минералов отмечается на Калужском турбинном заводе.

В связи с положительными результатами объёмных испытаний на КТЗ по использованию мелкодисперсных минералов и учитывая исключительную технологичность и рациональность технологического процесса формирования вторичных трибоструктур на втулках выдвижных устройств СВ-9 был заменен трудоемкий процесс нанесения бронзо-второпластового слоя. Нанесение покрытий из активных природных высокоэнергоплотных минералов было осуществлено на энергетическом оборудовании для плавучих атомных электростанций, в том числе на насосах ЭКН150-110, ПЭ150-75, ЭКН12-50Н, изделия ТК-35/38-3,4.

Кроме этого внедрение на Калужском турбинном заводе минеральных покрытий позволило отказаться от ряда сложных, энергозатратных и экологически вредных производств. Например, продолжительное время на ОАО КТЗ для придания противозадирных свойств на валах насосов использовалась технология гальванического хромирования, которая защищала от задиров только вал, на посадочных поверхностях дисков задирные явления продолжали оставаться. На защитных втулках валов («рубашках») для повышения износостойкости использовалась технология химико-термической обработки – хромонитридизация, недостатками которой кроме экологической вредности, трудоемкости, сложности и энергоемкости являются нестабильность геометрических параметров после нанесения покрытия, изменение размеров за пределы допуска чертежа. Внедрение технологии нанесения комбинированного минерального покрытия позволило отказаться от традиционных для производства сложных операций. После нанесения минеральных покрытий изделия показали высокую надежность. Значительно снизилась интенсивность изнашивания, существенно повысилась стабильность работы изделий в плане устойчивости к воздействию агрессивных сред.

Технология формирования вторичных трибоструктур из активных минералов методом механического вдавливания применима для любого узла трения, не зависимо от материала, из которого изготовлены его детали.

В последнее время разработаны и внедрены целый ряд промышленных технологий, связанных с формированием вторичных полифункциональных покрытий на базе использования ультрадисперсных порошков из природных активных минералов. Наибольшее распространение получили так называемые технологии получения вторичных антифрикционных покрытий.

Единую основу этих технологий составляют самоорганизующиеся процессы при фрикционном взаимодействии с участием тонкодисперсных порошков из природных минералов. Техническим результатом разработанных технологий является повышение износостойкости, снижение сопротивления трения и восстановление узлов трения двигателей, механизмов и устройств, например, за счет инициирования самоорганизующихся трибологических процессов, возникающих при добавлении технологической среды в штатное смазочное масло двигателей, механизмов, устройств, и последующей приработки в эксплуатационном режиме. В качестве технологической среды, как правило, используется тонкодисперсный порошок серпентинита с пониженным содержанием магнетита. Новым в данной технологии является возможность управления

триботехническими процессами посредством инициирования самоорганизующихся

процессов трения, основанных «на памяти наследственности» материала узла трения под

воздействием тонкодисперсного природного минерала – серпентинита. При этом серпентинит имеет следующий фазовый состав, массовое содержание, %: серпентин 87,4-88,0, железо в изоморфной примеси 8,2-8,6, алюминий в изоморфной примеси 2,2-2,4, кремнезем 0,6-1,0, доломит 0,6-1,0.

Широкое распространение в области трибологии, в частности для формирования

покрытия, содержащего твердосмазочную композицию, на поверхностях узлов трения, получила технология, использующая, в массовых долях, %: кварц 15-20, гетит 5-10, брусит 3-8, поверхностно-активное вещество (ПАВ) 2-7, лизардит - остальное. Для формирования покрытия на трущихся поверхностях на первом этапе измельчают исходную смесь минералов, содержащую кварц, гетит, брусит, лизардит, с добавлением ПАВ, и получают композицию указанного выше состава с дисперсностью 1-40 мкм. Затем проводят механоактивацию ее со связующим и, далее, размещают полученный состав между трущимися поверхностями при содержании, массовых долях, %: твердосмазочная композиция 0,1-2,0, связующее - остальное, с последующей его приработкой.

Известен в современном машиностроении также способ повышения износостойкости механизмов машин и оборудования при эксплуатации, который заключается в размещении между трущимися поверхностями состава из органического связующего,

например масла и абразивоподобного вещества, с последующим формированием износостойкой пленки. В качестве абразивоподобного вещества используют механоактивированный мелкодисперсный 0,001 - 1 мкм порошок метаморфической ультраосновной горной породы, например, змеевика, в количестве 5 - 50 массовых долей %, имеющий в своем составе окислы магния, кальция, кремния, алюминия, воду и другие примеси. При этом порошок из горной породы используется после удаления излишка упомянутого органического связующего, а также после присоединения к составу дополнительного связующего, в качестве которого используют, например, обладающую высокими антифрикционными и пленкообразующими характеристиками металлоорганическую композицию на основе химических растворов металлов, например олова, меди, алюминия, цинка.

Особое место в технологиях применения активных минералов отводится двигателям внутреннего сгорания, как наиболее массовым источникам получения энергии. Например, был разработан достаточно универсальный способ формирования поверхностных слоев деталей двигателей внутреннего сгорания с заранее заданными триботехническими свойствами. Способ обеспечения минимальных механических потерь в поршневых машинах - двигателях внутреннего сгорания, заключается в том, что

поверхности деталей, составляющих основные пары трения в двигателях, обрабатывают по следующему общему технологическому процессу: поверхность детали обрабатывают контактной ультразвуковой установкой с мощностью не менее 1 кВт при режимах для чистового точения материала основы и с силой прижатия наконечника к обрабатываемой поверхности 20-80 Н и амплитудой колебаний 20-40 мкм. на обработанной таким образом поверхности детали формируют слой покрытия из природных минеральных материалов с толщиной не менее 0,020 мкм. Затем покрытие из природных минеральных материалов подвергают также обработке ультразвуковой установкой при усилии прижатия наконечника 0-50 Н. При этом детали, составляющие пары трения, покрывают одинаковыми минеральными материалами, а при формировании минерального покрытия на поверхности деталей подвод внешнего тепла не производят.

Ряд разработанных перспективных технологий с использованием ультрадисперсных порошков относится к области решения прикладных проблем физико-химической механики и может быть использовано в энергоресурсосберегающих технологиях в судостроении, в химической, металлургической, горнодобывающей отраслях. Способ геоэнергетической интенсификации массообменных процессов осуществляют с использованием измельченного кварцсодержащего геосырья древних горных пород или

их смесей, который вводится специальным образом в дисперсные среды. При этом в качестве интенсифицируемой дисперсной среды используют керамику, цементосодержащие смеси, жидкие и твердые топлива, смазки, масла, пластполимерные композиции.

Заслуживает внимания и разработанный способ формирования износостойкого покрытия на поверхности деталей из металлов и сплавов, который, также как и предыдущие, включает нанесение на поверхность слоя, содержащего порошок минерального материала дисперсностью 0,1-50 мкм, смешанного с клеем, при следующем соотношении, массовых долей, %: порошок минерального материала 75-90. клей - остальное. Затем после формирования слоя, его поверхность обрабатывают давлением путем обкатки роликом и/или воздействием ультразвуком. При этом рабочую поверхность инструмента перемещают относительно детали при вращательном или поступательном движении детали.

Однако наибольшее распространение получила технология, базирующая на введении в качестве добавки порошков на основе природных минералов к смазочному маслу двигателей внутреннего сгорания, механизмов и устройств. Состав такой вводимой смеси, например, содержит, массовых долей, %: смазочное масло 91,0-92,4, серпентин 5,0-7,0, пироксен 1,0-1,4, магнетит 0,6-1,0, доломит 0,2-0,4. Технический результат - снижение износа узлов трения на 50-70%, потерь на трение в 1,5-2 раза. Данный технический результат достигается тем, что геомодификатор с пониженным содержанием (до 10% по сравнению с исходным порошком) крупных твердых частиц магнетита, попадая в зону трения, структурно модифицирует поверхность (качественно преобразовывает) и создает защитный квазисжиженный слой. Сниженное количество твердых крупных частиц магнетита в концентрированной взвеси получается за счет ее диспергирования, которое приводит к разделению серпентина, магнетита и пироксена, и осаждения части порошка, причем его крупные (осевшие) частички в основном и составляют магнетит. Предлагаемый состав - концентрированная взвесь геомодификатора трения (ГМТ) предназначен для повышения износостойкости узлов трения при эксплуатации и добавляется в штатное смазочное масло двигателей внутреннего сгорания, механизмов и устройств в количестве 3-5 % от массы смазочного масла.

Можно рекомендовать ещё две технологии, которые в равной степени применимы при обработке узлов трения нового оборудования, с целью повышения ресурса, а также при проведении ремонтно-восстановительных работ на изношенном оборудовании без его разборки. Первая технология предусматривает размещение между трущимися поверхностями размельченную минеральную композицию, формирующую антифрикционное покрытие, содержащее серпентин. Массивный образец природного минерала серпентинита массой от 0,2 до 1 кг сначала раскалывают на фрагменты массой 20-50 г и разбраковывают по цвету и блеску с отбором фрагментов зеленого, желтого и серого цветов перламутрового и матового блеска, характерных для серпентина. Для каждого из отобранных фрагментов проводят измерение показателя твердости по минералогической шкале Мооса и отбраковывают образцы с показателем твердости более 4 единиц по данной шкале. Далее методами рентгеноспектрального и химического анализов определяют в отобранных образцах содержание химических элементов Mg, Si, Fe, Al, Ni, Na, Ca, К с отбором образцов, наиболее близких к серпентину по составу и содержанию химических элементов. Затем отобранные образцы предварительно измельчают в дисковом дезинтеграторе до размеров фракции 50-100 мкм, просеивают на сите с размером ячейки 50 мкм и удаляют остатки на сите в виде волокнистых частиц хризотил - асбеста. Из отсеянного материала на магнитном сепараторе отбраковывают фракции ферромагнитного магнетита и производят окончательный помол отобранного порошка до дисперсности 0,1-10 мкм. В результате обеспечиваются низкий коэффициент трения и высокая износостойкость получаемого антифрикционного покрытия.

Вторая технология относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для упрочнения поверхностей деталей, в частности в способах формирования антифрикционных покрытий на металлических поверхностях пар трения. Способ заключается в том, что на поверхность пары трения после ее пластического деформирования ультразвуком наносят слой из высокопрочных композиционных материалов электроискровым методом или плазменным напылением, затем нанесенный слой подвергают пластическому деформированию ультразвуком, после чего наносят слой из высокодисперсных природных минералов, который также подвергают пластическому деформированию ультразвуком [5].