Академические и отраслевые научные организации нацеливают свои разработки на совершенствование технологий получения новых материалов для нанесения фрикционных, упрочняющих, коррозионно- и износостойких покрытий, что призвано совершенствовать ответственные узлы механизмов, экономить материальные и энергетические ресурсы.
Ионное азотирование
Учеными Физико-технического института и Объединенного института машиностроения НАН Беларуси разработана и применяется на практике технология модифицирования поверхностей циркониевых сплавов, используемых в атомной энергетике и медицине. Его осуществляют посредством обработки этих поверхностей концентрированными потоками заряженных частиц. Поверхность сплавов подвергается ионно-лучевому азотированию, в результате чего можно достичь такого целенаправленного изменения микроструктуры поверхности сплава, которое приводит к увеличению его твердости и износостойкости. В частности, для определенных цирконий-ниобиевых сплавов низкотемпературное (Т = 670—770 К) ионное азотирование ведет к увеличению микротвердости их поверхностных слоев до 3 тыс. МПа, повышению их износо¬стойкости в 1,5 раза и к снижению коэффициента трения на 40% по сравнению с не обработанными по данной технологии образцами. Минимальная изнашиваемость азотированных поверхностных слоев достигнута с применением режима их ионно-лучевой обработки при температуре 820 К. Для создания потока азотирующих поверхностные слои ионов авторами разработки применялось оригинальное оборудование. Контроль изменений микроструктуры сплавов осуществлялся на рентгеновском дифрактометре (А.В. Белый, А.Г. Кононов, В.А. Кукареко).

Тест на износостойкость

В условиях эксплуатации тяжелонагруженных трибосопряжений в механизмах, работающих при ограниченной подаче в них смазки или при полном ее отсутствии, возникает много проблем, приводящих к резкому снижению ресурса работы их деталей. Выходом из данного положения может являться нанесение на трущиеся поверхности керамикоподобных покрытий и их модифицирование наноразмерными компонентами различной природы, например углеродными наномодификаторами. Среди них — фуллерены С60. В Объединенном институте машиностроения НАН Беларуси провели широкие исследования в этом направлении. Керамикоподобные покрытия (в данном случае Al2O3) создавались микродуговым оксидированием сплавов алюминия на сконструированной ранее лабораторной установке. «Наполнение» покрытий фуллереном С60 проводили пропиткой керамикоподобной матрицы Al2O3 раствором этого наполнителя в толуоле. Далее исследовались триботехнические свойства полученного материала в условиях его интенсивного трения по стальной поверхности. Структуру, топографию и элементный состав трущихся без смазки поверхностных слоев изучали с помощью современной аппаратуры — дифрактометра, конфокального оптического и сканирующего электронного микроскопов, спектрального анализатора. Установлено, что керамикоподобное покрытие Al2O3, содержащее фуллерен С60, обладает в 1,4—1,9 раза большей износостойкостью по сравнению с исходным Al2O3.
При этом в его поверхностных слоях формируется специфическая «блочная» структура, что и обеспечивает повышение износостойкости. Полученные белорусскими учеными результаты нашли практическое применение для упрочнения вакуум-форм, используемых при изготовлении пластмассовых корпусов холодильников. Это обеспечило увеличение ресурса эксплуатации дорогостоящего заводского оборудования не менее чем в 5 раз (А.И. Комаров, В.И. Комарова, А.А. Шипко).

Графиты-«грязи» — в алмазы-«князи»

Сегодня во многих областях техники хорошо зарекомендовали себя тонко¬пленочные покрытия на основе алмазо- и графитоподобных углеродных фаз, модифицированных различными металлическими (в частности, медными) добавками. Однако роль металла в улучшении многих физических характеристик таких покрытий долгое время оставалась в значительной степени неопределенной. До тех пор, пока за дело не взялись ученые и инженеры из научного инженерного центра «Плазмотег» Физико-технического института НАН Беларуси. Получаемые ими способом импульсного вакуумно-дугового осаждения тонкие (толщиной 0,01—0,5 мкм) углеродные пленки-покрытия с присутствующей в них алмазоподобной фракцией содержали от 2 до 6 ат. % меди. Методами просвечивающей электронной микроскопии, микроанализа, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и измерениями электропроводности авторами исследованы атомная и электронная структура, элементный и химический состав и другие параметры пленочных покрытий углерод-медь в зависимости от условий их осаждения. Было установлено, что в модифицированных пленках-покрытиях в «квазиаморфной углеродной матрице» формируются металлические нанокластеры, размеры и количество которых влияют на физические свойства получаемых тонких пленок. Наряду с увеличением их электропроводности повышается содержание в них алмазоподобного углерода. Авторы объяснили это тем, что благодаря наличию достаточного количества кислорода в таких покрытиях медь является катализатором процесса окисления углерода в графитоподобном виде, способствуя при этом его переходу в алмазоподобное sр3-связанное состояние (В.В. Ломовой, Е.В. Станкевич,
Е.А. Тявловская, Н.М. Белявский).

Да гори она синим пламенем!..

Если бы древесина горела пламенем такого цвета, то это не было бы ее истинным горением, поскольку «натуральный» его цвет все же красновато-желтый. А вот ее защитные покрытия могут гореть синим цветом, принося себя в жертву ради спасения древесной основы. Недавно группа ученых из Института общей и неорганической химии НАН Беларуси начала разрабатывать химические составы антипиренов, представляющих практический интерес в качестве ингибиторов горения древесины. Лучшие из них, внедряемые в практику, созданы белорусскими исследователями с использованием водо-органических акриловых и винилацетатных дисперсий и добавления в их состав определенного количества наполнителей (микроталька или диоксида кремния) или поверхностно активных веществ неионогенного типа, а также красителей. Исследование огнезащитных свойств образцов древесины, обработанных такими антипиренами, показало, что потери ее массы при горении составляют всего лишь 3,5—7,5%. А это, согласно ГОСТ 16363-98, позволяет отнести созданные составы-антипирены к первой группе огнезащитной эффективности. Как показали исследования авторов, защита от огня обусловлена не только уменьшением скорости и интенсивности разложения применяемых в антипиреновых составах полимеров и образованием при этом защитной оболочки на поверхности древесного материала, но и существенным уменьшением доли экзотермических реакций в суммарном тепловом эффекте разложения древесины (Н.К. Лунева, Л.И. Петровская).
Гиперзвуковая металлизация + нитроцементация = экономический эффект
С целью значительной экономии энергетических и материальных ресурсов в машиностроении производят реставрацию и одновременное упрочнение различных деталей узлов трения — коленчатых валов, осей валиков, подшипников скольжения и др. При этом часто используются технологии, основанные на распылении стальных проволок как газопламенным методом, так и с помощью электродуговой или гиперзвуковой металлизации. К сожалению, и те, и другие способы имеют свои преимущества и недостатки. Ученые из Объединенного института машиностроения НАН Беларуси и Белорусского государственного технического университета, проведя широкомасштабные исследования, показали, что именно применение метода гиперзвуковой металлизации в совокупности с нитроцементацией восстанавливающих покрытий может существенно повысить их износостойкость при сухом трении. Их твердость может достигать величины 10 ГПа. Авторы пришли к выводу о более целесообразном использовании их метода по сравнению с нанесением покрытий из самофлюсующихся сплавов (М.А. Белоцерковский, А.С. Прядко, В.М. Константинов, Г.А. Ткаченко).

Плазменный импульс сберегает энергию

Лазерная, электронно-лучевая, плазменная и другие виды обработки металлических изделий позволяют получать уникальные механические и иные физические свойства их поверхностей — повышенные твердость, сопротивляемость износу, усталостную прочность, сопротивление коррозии. Работающие в тесном сотрудничестве ученые из Центра трансфера энергоэффективных технологий (Гомель) и Института электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины (Киев) остановили свой выбор на обработке поверхности металлических изделий с привлечением импульсно-плазменных струй. С целью наиболее эффективного формирования мощных плазменных импульсов применялось горение специально подобранных газовых смесей в нестационарных детонационных режимах. Разработанная технология и изготовленное оборудование для импульсно-плазменного упрочнения обрабатывающего инструмента сегодня используется в производстве массовой металлургической продукции. Она позволяет обрабатывать только рабочие поверхности инструмента, не затрагивая при этом его остальные части. Это решает проблемы повышения его износостойкости без изменения структурного состояния материала всего изделия. Промышленное внедрение импульсно-плазменной технологии подтверждает ее эффективность. Работоспособность инструмента после такого упрочнения повышается в 2—4 раза (Ю.Н. Тюрин, О.В. Колисниченко, А.В. Хребтов).

Плодотворное взаимодействие науки и производства

Творческое научно-техническое сотрудничество ученых из Института порошковой металлургии и Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси с производственниками из ОАО «Завод Промбурвод» принесло ощутимые результаты. Ими оптимизированы технологические параметры импульсно-плазменной обработки газотермически нанесенных покрытий из плакированных никелем композиционных СВС-порошков на детали механизмов с трибо-сопряжением, эксплуатирующихся в экстремальных условиях при повышенных нагрузках и высоких температурах, при отсутствии смазки. Первоначально СВС-порошки при помощи плазмотрона газотермически напыляли на упрочняемую поверхность детали. Далее проводили обработку полученных покрытий импульсами плазменной струи, формируемой магнитоплазменным компрессором (плазмотрон и магнитоплазменный компрессор разработаны и изготовлены в Институте физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси на уровне лучших мировых стандартов). Для оценки результатов их импульсно-плазменной обработки в различных режимах авторы использовали современную аппаратуру. Измерения показали, что в результате проведения оптимизированной импульсно-плазменной обработки газотермически нанесенных покрытий снижается и стабилизируется их пористость, достигается достаточно равномерное распределение их структурных элементов, а также ряд других преимуществ по сравнению с применением для получения упрочненных и износостойких покрытий неплакированных никелем СВС-порошков (А.Ф. Ильющенко, А.И. Шевцов, В.А. Оковитый, В.А. Микуцкий, В.М. Асташинский, А.М. Кузьмицкий, А.С. Козорез).

Сгинь, грибок!

Известно, что от разрушительного дей¬ствия микроорганизмов часто выходит из строя металлическое оборудование, постоянно соприкасающееся с водной средой. Это в первую очередь системы водоснабжения — трубопроводы, компрессорные установки, очистные сооружения и др. Их защита от биогенной коррозии на сей день по-прежнему является сложной технической задачей. Совмест¬ными усилиями ее попытались решить белорусские ученые из Института общей и неорганической химии и Объединенного института машиностроения НАН Беларуси, разработав биозащитные порошковые композиции на основе термопластичных полимеров. Сделать это было непросто. Беда в том, что практически все типы органических полимеров также подвержены разрушению под действием специфических бактерий и грибков. Поэтому для придания полимерным композициям биоцидных свойств в них вводят специальные фунгицидные и антисептические реагенты. Учеными были созданы различные биозащитные порошковые композиции с использованием дисперсий низкоплавкого полиэтилентерефталата, поливинилбутираля, поливинилхлорида и определенных биоцидных ингредиентов. Образцы этих композитов в виде таблеток и пленок подвергались детальному изучению на предмет выяснения их физико-механических, электрофизических, бактериостатических и бактерицидных свойств. Проведенные исследования позволяют рекомендовать разработанные составы в качестве защитного материала не только от биологической, но и химической коррозии. Оказались возможными и другие применения созданных полимерных композитов. Так, биозащитная порошковая композиция на основе низкоплавкого полиэтилентерефталата была использована авторами в виде покрытий на подшипниковых опорах металлообрабатывающих станков с целью поглощения шума и вибрации. Для напыления покрытий применялся созданный в ОИМ НАН Беларуси порошковый термораспылитель «ТЕRСО-Р». Оригинальная конструкция его распылительного узла, позволяющая плавно регулировать состав горючей смеси и форму факела, обеспечивает формирование защитных покрытий из полимерных порошков с размером частиц до 400 мкм и температурой плавления от 90 до 400 °С (В.И. Дубкова, Н.П. Крутько, В.Г. Комаревич, Н.А. Белясова, М.А. Белоцерковский, А.В. Чекулаев).

Польза от снятой стружки

В Белорусском национальном техническом университете нашли применение стружечным отходам легированных инструментальных сталей, используя их для наплавки защитных покрытий на поверх¬ность деталей машин и инструментов, что может являться эффективным методом повышения срока их эксплуатации. Стружечные отходы инструментальных сталей в условиях их химико-термической обработки подвергались насыщению углеродом, азотом и бором. Металлографический анализ обработанной таким способом стружки показал, что проникновение атомов углерода и азота происходит на всю ее толщину. В ее структуру входят карбидные, карбонитридные и нитридные включения размером 1—5 мкм, находящиеся в ее матрице, а на поверхности присутствуют боридные фазы. Сама наплавка стружечных отходов производилась авторами посредством электродуговой сварки с применением трубчатых электродов. Их испытания на абразивный износ показали, что они имеют в 1,48—1,7 раза большую износостойкость по сравнению с наплавленными покрытиями из широко применяемых в настоящее время электродов типа Т-590 и др. (А.В. Стефанович).