20 | 01 | 2017
Учебные материалы
Для преподавателей
Работы студентов
Справочная и техническая литература
Статьи по темам

Инженерия поверхности и развитие современного машиностроения

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.00 (1 Голос)

Инженерия поверхности объединяет методы направленного изменения физико-химических свойств поверхностных слоев материалов путем деформирования, модифицирования, нанесе­ния пленок, покрытий, защитных слоев различными комбинированными методами.

Комплексное использование достижений ряда фундаментальных наук обеспечивает соз­дание и практическое использование как в основном, так и в ремонтном производствах новых высокоэффективных ресурсосберегающих технологий управления функциональными свойст­вами деталей машин за счет направленного создания поверхностных слоев и управления их свойствами.

Инженерия поверхности и развитие современного машиностроения

Основными показателями качества машин являют­ся надежность и КПД, которые преимущественно опре­деляются свойствами поверхностных слоев деталей и со­единений (пределом выносливости, коррозионной стойкостью, износостойкостью, коэффициентом тре­ния, контактной жесткостью, прочностью посадок, гер­метичностью соединения и др.). Каждый останов ма­шин из-за повреждения отдельных элементов или сни­жения технических характеристик ниже допустимого уровня, как правило, влечет за собой большие материаль­ные убытки, а в отдельных случаях приводит к катастро­фическим последствиям. Достижение высокого качества и эксплуатационной надежности машин, а также их более низкой стоимости, являющихся условием обеспечения высокого и устойчивого уровня рыночной конкуренто­способности, возможно лишь на основе новых наукоем­ких технологий и научно-технических направлений.

Одним из таких комплексных направлений является инженерия поверхности. Она охватывает собой комплекс научных дисциплин, которые могут быть разделены на следующие основные группы:

1. Фундаментальные, включающие прежде всего фи­зику и химию поверхности твердого тела [1, 2] и ряд дру­гих дисциплин;

2. Физика и химия взаимодействия поверхностей с окружающей средой и проектирование поверхностных слоев и управление их свойствами;

3. Технология покрытий и модифицирования по­верхностных слоев;

4. Технология поверхностной обработки.

В последние десятилетия инженерия поверхности приобретает все более весомую роль в большинстве от­раслей современной индустрии. Ее инновационный ха­рактер развития связан с рядом факторов. Прежде всего, это бурное развитие электроники поверхности. Микро - и оптоэлектроника 90-х годов неудержимо стремятся к увеличению степени интеграции твердотельных систем переработки информации и к резкому уменьшению раз­меров отдельных компонентов этих систем. Зарождается нано - и молекулярная электроника; размеры элементов интегральных схем начинают приближаться к размерам малых кластеров из атомов и молекул.

Существует чрезвычайно высокая потребность в методах инженерии поверхности для защиты от кор­розии и повышения износостойкости, улучшения каче­ства машин, длительной эксплуатации различных объ­ектов в космосе, при высоких температурах и других экстремальных условиях, минимизации загрязнения ок­ружающей среды и решения многих других проблем. Ис­следования этих проблем были дополнены одновременно уникальными достижениями в таких фундаментальных дисциплинах, как физика поверхности и материалове­дение, а также разработкой уникальной техники для анализа поверхности. В свою очередь все это поддержи­валось постепенными, но очень значительными техно­логическими разработками (разработка и совершенство­вание вакуумных и плазменных технологий, компью­терное моделирование и пр.).

Уникальное сочетание реальных потребностей и сти­мулов и современных научно-технических средств и достижений инициировали творческую атмосферу, ши­рокомасштабное международное сотрудничество и при­влекли в сферу инженерии поверхности большое коли­чество научно-технической интеллигенции. Достаточно сказать, что в 1994 году страны Северной Америки, За­падной Европы и Япония инвестировали в исследова­ния и разработки в сфере инженерии поверхности 40 млрд. долл. США, а только в Германии за период 1990—1994 годов появилось около 1000 новых компаний в сфере инженерии поверхности [3].

Чрезвычайно важную, а в ряде случаев и определяю­щую роль играют в машиностроении и машинопользовании вопросы, касающиеся поверхности твердого тела. Как известно, причина низкого ресурса деталей и других элементов конструкций связана преимущественно с из­носом и коррозионным повреждением их поверхностных слоев. Детали машин и устройств всегда работают в кон­такте с окружающей или эксплуатационной средой (воз­дух, вакуум, морская вода, почва и пр.); с технологиче­скими средами, применяемыми в производственном процессе в качестве исходных и конечных материалов при изготовлении веществ и изделий (химические эле­менты, соединения и их растворы в различных агрегат­ных состояниях); со средами, используемыми для осуще­ствления рабочего цикла (например, в энергетических ус­тановках — топливо и теплоносители, в узлах трения — смазочные материалы и т. д.).

Для устранения или торможения процессов, проте­кающих на границе среда — металл, негативно воздейст­вующих на работоспособность материалов, необходимо применять различные виды поверхностной обработки, а при разработке изделий и технологии их производства использовать достижения современной инженерии по­верхности. Отдельную глобальную проблему представ­ляет повышение поверхностной прочности обрабаты­вающего инструмента, используемого в различных ма­шиностроительных процессах. Таким образом, такие чрезвычайно важные для создания и использования ма­шин проблемы трибологии и триботехники также являются по сути проблемами поверхности твердого тела и ее взаи­модействия с окружающей средой.

Трибологические явления проявляются практически во всех сферах индустрии и в быту. Для снижения тре­ния в год в мире расходуется более 100 млн. т смазочных материалов. Отработавшие смазочные материалы долж­ны подвергаться переработке или утилизации, иначе они представляют серьезную опасность для окружаю­щей среды. Относительные размеры износа (например, отношение потери массы машины или изделия к ее пер­воначальной массе) весьма малы, но износ приводит к выходу из строя всей машины или изделия в целом. По­тери средств в машиностроении развитых государств вследствие трения и износа достигают 4... 5 % националь­ного дохода. Сопротивление трению поглощает во всем мире 30... 40 % вырабатываемой энергии. Так, простое улучшение конструкции опор турбогенераторов мощно­стью 500 МВт может привести к сокращению потерь мощности на 1 МВт [4]. Низкий КПД текстильных ма­шин обусловлен главным образом потерями на трение, которые составляют около 80 % потребляемой энергии [4]. Энергия при трении не просто теряется, а превра­щается в теплоту, нагревающую механизмы и узлы ма­шин. Их чрезмерный нагрев во многих случаях приводит к отказам и авариям. Примерно 80... 90 % отказов машин происходит из-за износа узлов и деталей, а также рабо­чего инструмента. За полный цикл эксплуатации машин эксплуатационные расходы, трудоемкость ремонта и за­траты материалов на ремонт в несколько раз превышают затраты на изготовление новых машин. Ремонтом обо­рудования в развитых странах занято около 30 % общего числа рабочих и примерно такая же часть станочного пар­ка. На ремонт расходуется пятая часть всего выплавлен­ного металла. Такие значительные расходы обусловлены недооценкой значимости проблем повышения износо­стойкости и долговечности машин как эксплуатируемых, так и проектируемых. Специальные исследования пока­зали [5, 6], что прямые убытки от износа только в Гер­мании составляют десятки миллиардов долларов в год. Поэтому борьба с потерями от трения и износа в боль­шинстве развитых стран стала государственной задачей.

Повышение долговечности машин равносильно не только пропорциональному повышению производитель­ности, но и высвобождению огромных ресурсов рабочей силы, сырья, материалов, финансовых капиталовложений и капитального строительства. Режим эксплуатации ма­шин в различных отраслях машиностроения имеет тен­денцию к наращиванию рабочих характеристик с целью получения более высоких показателей работы, а значит, и выпускаемой продукции. Так, единичная мощность аг­регатов компрессорных станций газопроводов повыси­лась в 20... 30 раз, диаметры труб газопроводов увеличи­лись с 300 до 1420 мм, производительность одной нитки газопровода повысилась с 1 до 30 млрд. м в год [7]. По этой причине износостойкость, долговечность и эффек­тивность работы машин снижаются, а аварийность рас­тет, даже в авиации.

Огромный ущерб народному хозяйству наносит так­же коррозия металлов. В результате коррозии преждевре­менно выходят из строя оборудование, трубопроводы, ап­паратура, сооружения. В связи с многоаспектностью про­блемы оценки потерь от коррозии — материальных, технологических, экономических, экологических — проводятся специальные исследования в ведущих стра­нах мира. Экономические подсчеты коррозионных за­трат учитывают прямые потери от коррозии: потери стоимости выбывших из строя основных фондов, затра­ты на капитальные и текущие ремонты по причине кор­розии и затраты на противокоррозионную защиту. Пря­мые потери от коррозии в промышленно развитых странах составляют 2... 5 % национального дохода, потери металлофонда — 15... 30 % его ежегодной выплавки. Кроме пря­мых потерь, громадный ущерб народному хозяйству нано­сят косвенные потери от коррозии, это недовыпуск про­дукции из-за останова оборудования, ухудшение качества продукции из-за коррозионных загрязнений, наруше­ние экологического равновесия вследствие коррозии технологического оборудования и очистных аппаратов. По ориентировочным оценкам косвенные потери в 1, 5—2 раза превышают прямые. В бывшем СССР еже­годные потери от коррозии оценивались в 13—15 млрд. руб. [8, 9].

Резервы расширения применения традиционных коррозионно-стойких материалов на основе высоколе­гированных сталей, а также сплавов на основе коррози­онно-стойких металлов довольно ограничены, что связа­но с уменьшением в природе запасов никеля, молибдена, меди, титана и других элементов. Поэтому проблема за­щиты материалов от износа и коррозии путем нанесения защитных покрытий, легирования поверхности или же мо­дификации ее структуры является одной из важнейших народнохозяйственных проблем, успешное решение ко­торой позволит резко уменьшить расход черных и цвет­ных металлов, повысить качество и долговечность работы оборудования и машин, существенно увеличить произво­дительность труда, сэкономить огромные материальные, энергетические и трудовые ресурсы.

Однако проблемами защиты от износа и коррозии не исчерпываются возможности инженерии поверхности. Существует ряд других, не менее важных как в техниче­ском, так и экономическом отношении проблем, кото­рые трудно даже перечислить в краткой статье. Это про­блемы теплозащиты, экранирования электромагнитных полей, катализа, улучшения обрабатываемости материа­лов, получения различных функциональных свойств по­верхностных слоев, синтеза разнообразных поверхност­ных конструкций и прежде всего в микроэлектронике и многие другие.

Таким образом, как технически, так и экономически целесообразно использовать подходы как к выбору, так и созданию материалов, связанные с разделением функ­ций материала в сердцевине детали, и в ее поверхност­ных слоях.

Технологические методы инженерии поверхности прошли длинный путь развития, однако только сравни­тельно недавно начали выделяться в широкомасштабное многоцелевое научно-техническое направление, объе­диняющее разнообразные по своей физико-химической сущности технологии. Их широкое техническое приме­нение в промышленных масштабах началось с изобрете­ния в XIX веке электролитического осаждения и развития специальных методов закалки сталей. В начале XX века появились наплавка, плакирование, химическое паро­вое осаждение, в середине XX века — вакуумные покры­тия и газовое азотирование. В последние десятилетия наблюдался взрывной характер развития инженерии по­верхности, особенно с появлением в 80-е годы ионной имплантации и физических процессов осаждения нит­рида титана [10, 11]. К настоящему времени создано большое число методов поверхностной обработки мате­риалов, позволяющих управлять составом, структурой и свойствами поверхностных слоев.

Все технологические методы инженерии поверхно­сти можно разделить на следующие группы:

• изменение физико-химических свойств поверхност­ных слоев основного материала изделия методами модифицирования;

• нанесение пленок, покрытий и защитных слоев;

• комбинированные, сочетающие методы модифици­рования и нанесения покрытий;

• управление микротопографией поверхностей.

Сама по себе задача выбора этих методов в конкретных случаях представляет сложную технико-экономическую задачу. Только методов модифицирования поверхности на сегодняшний день известна не одна сотня.

Мировой рынок таких процессов нанесения покры­тий, как CVD, PVD, имплантация и эпитаксия в 1995 году оценивался в 8, 7 млрд. долл. и прогнозируется его рост до 15, 2 млрд. долл. в 2000 году. В США рынок керамиче­ских покрытий оценивался в этот период только по мате­риалам в 564 млн. долл. с ежегодным ростом 7, 4 % [12]. В обзоре промышленности Великобритании, подготовлен­ном Национальным Центром инженерии поверхности, инженерный сектор нанесения износо - и коррозионно-стойких покрытий оценивается в 4... 5 млрд. фунтов стер­лингов в 1995 году. К 2010 году прогнозируется увеличение этой величины до 8... 9 млрд. фунтов стерлингов [9, 13, 14]. В 1986 году имело следующее распределение секторов рынка керамических покрытий [15]: строительная инду­стрия — 36%; металлургия — 21 %; оборона — 12 %; про­чие отрасли — 31 %. Причем 39 % покрытий было про­изведено физическим осаждением из паров; 26 % — хи­мическим паровым осаждением; 23 % — газотермическим напылением и 12 % — шликерным и другими мокрыми процессами. Индустриальными секторами, где ожидается наибольший прирост использования покрытий с годовым увеличением в процентах, являются: двигателестроение — 28 %; морское оборудование — 18 %; химическая промыш­ленность — 15 %; оборона — 11 %; строительство — 11 %.

В течение ближайших десятилетий ожидается еще более бурное развитие инженерии поверхности, которое выведет некоторые новые, пока лабораторные, процессы и технику на рынок, отбросит ряд применяемых сейчас и стимулирует разработку новых технологий. Еще более расширится сфера применения методов инженерии по­верхности [10]. В США исследования и разработки в сфере инженерии поверхности относят к высоким тех­нологиям, многие из которых финансируются за счет государственных программ [12]. В 1999—2002 годы дей­ствует программа "Методы инженерии поверхности". Инженерия поверхности привлекает внимание админист­рации для решения многочисленных проблем, связанных с дальнейшим индустриальным развитием. Программа предполагает структурный подход к развитию новых ма­териалов, процессов и компонентов. К специфическим целям этой программы относятся: одновременное улуч­шение конструирования поверхностных слоев и сниже­ние стоимости через уменьшение времени на конструи­рование и увеличение производительности и стабильно­сти и создание высококачественных поверхностных слоев, интегрированных в конструирование и производ­ство компонентов.

Прежде всего ожидается очень значительное расши­рение роли инженерии поверхности в отношении рас­тущих требований к уменьшению загрязнения окружаю­щей среды вредными химикатами и глобального потепле­ния. Например, недавние международные соглашения требуют уменьшения выброса СО2 на 25... 30 % в течение ближайших 12 лет. Это требует соответствующего умень­шения потребления расхода энергии. Очевидные пути уменьшения бесполезных затрат энергии включают ряд подходов к уменьшению потребления материалов: уменьшение расхода материалов при изготовлении де­талей, увеличение их срока службы, изготовление дви­жущихся частей из более легких материалов, повышение рабочей температуры двигателей, уменьшение трения поверхностей скольжения. Все эти подходы могут суще­ственно выиграть при конструировании поверхности материалов, при котором свойства, требуемые для взаи­модействия компонента с окружающей средой, распо­лагаются только в поверхностном слое, благодаря чему основной материал компонента может быть выбран на основе различных критериев: массы (плотности мате­риала), экологических затрат или денежной стоимости, утилизации и пр.

Катастрофическая загазованность отечественных го­родов связана с большой изношенностью цилиндропоршневой группы ДВС автомобилей. В результате из­носа указанных деталей падает мощность двигателя, увеличивается расход топлива и смазочных материалов, возрастает в несколько раз содержание вредных веществ в отработанных газах, до 70 % всех вредных выбросов в атмосферу городов приходится на автомобильный транспорт [16]. Поэтому существенный интерес вызы­вает интенсивное развитие мирового рынка керамиче­ских покрытий [15]. Их проникновение в автомобиль­ную промышленность происходит значительно быстрее по сравнению с монолитной керамикой и керамически­ми композитами. Теплозащитные покрытия толщиной до 0, 8 мм на деталях цилиндропоршневой группы ДВС позволяют: снизить потери теплоты в охлаждающую жидкость не менее чем на 10... 15 %, что позволяет уменьшить объем радиаторов более чем на 10 %; повы­сить экономичность двигателя более чем на 4 % и сни­зить расход топлива не менее чем на 3... 4 %; повысить об­щий моторесурс двигателя на 20 %; снизить температуру поршня в зоне первого поршневого кольца на 30 %, что исключает заклинивание двигателя и уменьшает износ кольца; обеспечить меньшую экологическую опасность за счет снижения количества выхлопных газов и шума. По­вышение толщины покрытий свыше 0, 8 мм улучшает тех­нические параметры ДВС.

Покрытия для поршневых колец на основе нитрида молибдена, нанесенные вакуумно-дуговым способом, увеличивают стойкость колец и снижают износ цилин­дров. Стендовые испытания форсированного мощного дизеля, на жаровые кольца которого были нанесены нитридсодержащие покрытия на основе молибдена, с цилиндрами из азотированной стали 38ХМЮА в тече­ние 300 ч показали снижение износостойкости цилиндров примерно в 10 раз выше по сравнению с кольцами, покрытыми гальваническим хромом [17].

Специальные защитные покрытия на основе диок­сида циркония и оксида иттрия позволяют: полностью исключить прогар днища поршня; снизить рабочую тем­пературу вблизи поршневых канавок, что существенно повышает срок службы поршня; повысить температуру сгорания топливной смеси, улучшая тем самым КПД ра­бочего процесса и экологичность дизеля; повысить эко­номичность двигателя не менее чем на 5 % и ресурс дви­гателя в целом не менее чем на 20 % [18].

Таким образом, основные мировые тенденции раз­вития ДВС состоят в снижении расхода топлива и уменьшении вредного экологического воздействия на окружающую среду. Это может быть достигнуто также снижением массы автомобилей и уменьшением потерь на трение в узлах двигателя (преимущественно в цилиндропоршневой группе) [19]. В современных легковых автомобилях на двигатель приходится 10... 12 % его мас­сы, а самой крупной и тяжелой деталью двигателя явля­ется блок цилиндров. Замена чугуна алюминием при из­готовлении блока цилиндров снижает его массу на 40... 60 %. Однако алюминиевые сплавы обладают низкой износостойкостью в условиях повышенных температур, циклических нагрузок, абразивной и агрессивной среды. Поэтому алюминиевые сплавы подвергают дополнитель­ному модифицированию и упрочнению рабочих поверх­ностей с помощью методов инженерии поверхности.

В то же самое время сама индустрия покрытий нуж­дается в очистке своих собственных процессов для ми­нимизации выброса токсичных веществ. Например, планируются разработка и исследование экологически безвредных покрытий, которые могут заменить гальвани­ческое хромирование [20]. Электролитические методы на­несения покрытий связаны с большим потреблением воды, ее загрязнением, токсичностью и необходимо­стью очистки сточных вод. Поэтому перспективно более широкое внедрение сухих способов получения покры­тий — вакуумных, газотермических и др. Так, электрон­но-лучевая технология осаждения материалов из паро­вой фазы позволяет получать новые неорганические ма­териалы с заданными составом и структурой, в том числе аморфные и мелкокристаллические материалы с неравновесной структурой, включая алмазоподобные фазы на основе углерода; дисперсно-упрочненные, микрослойные и микропористые материалы на основе ме­таллов, сплавов и керамики.

Возможен синтез на поверхности конденсации интерметаллидов, карбидов, силицидов и других тугоплав­ких соединений и многофазных систем на их основе. Конденсируемые материалы находят практическое при­менение в первую очередь в виде различных покрытий, в том числе коррозионно-стойких, жаростойких, тепло­защитных, особо твердых, износостойких, биосовмести­мых, с особыми электрическими, магнитными и хими­ческими свойствами и для соединения материалов. В настоящее время прежде всего лидируют защитные по­крытия на лопатках газовых турбин различного назна­чения: жаро - и коррозионно-стойкие и особенно термо­барьерные с внешним керамическим слоем из оксида циркония. В настоящее время разрабатываются функ­ционально градиентные термобарьерные покрытия для лопаток газовых турбин и функционально градиентные жаростойкие, коррозионно - и эрозионно стойкие, а так­же твердые покрытия, осаждаемые на детали энергети­ческого, химического оборудования и инструменты. Прогнозируется, что в течение ближайших 15 лет миро­вое производство материалов, получаемых осаждением из паровой фазы в вакууме, достигнет 10 т/год [21]. Электронно-лучевая технология открывает широкие возможности в получении микрослойных покрытий.

Разработка тонких адгезионно-прочных твердых по­крытий в последней четверти XX века внесла основной вклад в обрабатывающую промышленность, особенно в область обработки резанием [22—25]. В Северной Аме­рике и Западной Европе около 65 % металлорежущего инструмента покрывается методами химического или физического осаждения.

Твердосплавные пластины с покрытием TiN снима­ют объем стружки в 4 раза больше, чем твердосплавные пластины без покрытия. Все чаще применяют инстру­мент с алмазным покрытием, который не содержит связки, обладает твердостью, практически равной твер­дости природного алмаза, большей теплопроводностью в сравнении с медью. Модифицирование поверхности инструмента за счет имплантации ионов обеспечивает увеличение работоспособности (высокая износостойкость и повышение прочности материала) сложнопрофильного инструмента и быстрорежущих сталей в 4—8 раз. Режу­щий инструмент с покрытием позволяет обрабатывать чугун и стали с высокой производительностью при вы­сокой стойкости инструмента без применения СОЖ, что сокращает затраты и улучшает гигиенические усло­вия труда, облегчает отбор и переработку стружки [26].

Можно привести и другие многочисленные примеры использования методов инженерии поверхности на ста­диях производства и эксплуатации разнообразных ма­шин. Однако эти методы, к сожалению, не находят мас­сового применения и, прежде всего, в отечественной промышленности. Отметим также, что технологии, свя­занные с инженерией поверхности, перспективны и для решения аналогичных проблем в сфере обслуживающе­го производства. Наиболее характерный пример отно­сится к очень перспективной технологии безразборного восстановления ДВС [16], позволяющей с использова­нием известных особенностей технологий, реализую­щих избирательный перенос, осуществить частичную компенсацию износов, не прибегая к операции разбор­ки трущегося соединения. Наличие на трущихся поверх­ностях защитных покрытий, образованных в процессе обработки препаратом "М-Пульс 2000", обеспечивает частичное восстановление износов деталей с уменьше­нием зазоров, что приводит к повышению давления в цилиндрах на такте сжатия (компрессии) до 50 %; сни­жению вредных выбросов (оксид углерода, углеводоро­ды, сажа) до 2 раз; уменьшению потребления топливно-смазочных материалов до 25 %; более легкому запуску холодного двигателя, так как исключается "сухой пуск", когда масло не успевает в должном количестве посту­пить к трущимся соединениям; снижению шумности при работе двигателя и т. д. Однако потенциальные воз­можности метода безразборного восстановления значи­тельно шире, и он может быть успешно применен при ремонте компрессорного и насосного оборудования, подшипников качения и скольжения, шарнира равных угловых скоростей и иных деталей автотракторной и другой техники. Таким образом достигается возможность резкого повышения ресурса работы машин и перенос ме­роприятий по обеспечению этого ресурса в сферу потреб­ления, а не в развиваемое в настоящее время восстанови­тельное производство при значительной экономии затрат и ресурсов. При этом должен повыситься уровень диаг­ностики машин в сфере их потребления.

Целенаправленное использование топографии по­верхности при конструировании находится в начальной стадии развития, однако это уже используется при соз­дании канавок, где могут безвредно собираться частицы износа, удаляемые с зоны контакта трущихся поверхностей, и создавать структуру для облегчения рабочего хода в цилиндрах ДВС. Ожидается более интенсивное исполь­зование конструирования топографии поверхностей по мере развития технологии. Например, работоспособ­ность подшипников может быть улучшена использова­нием конструирования неровностей, форма и распреде­ление которых обеспечивают оптимальную микроэластогидродинамическую смазку. Могут быть разработаны поверхностные структуры, улучшающие несущую спо­собность газовых подшипников. Это позволит заменить некоторые смазываемые подшипники, что связано с яв­ными экологическими преимуществами. Необходимо развивать технику для эффективного производства по­верхностей с подобной топографией, возможно на наноуровне, а также для ее анализа и описания.

К созданию особой топографии поверхности примы­кают методы конструирования и получения так назы­ваемых дискретных покрытий. Их преимуществами яв­ляются повышенная адгезионная и когезионная стой­кость в процессе деформации основы и высоких контактных давлений, возникающих в процессе взаимо­действия контактных пар; возможность конструирова­ния поверхностей, работающих с минимальным изно­сом в парах трения, в зависимости от условий эксплуа­тации [27]. Подобные покрытия перспективны для фильтрации жидкостей, для транспортировки сыпучих материалов, в качестве носителей катализаторов и тепло­защитных слоев, на поверхностях внутрикостных имплантатов, на поверхностях теплообменников и др. [28].

Недостаточная прочность покрытий во многих прак­тических случаях, отсутствие в справочной литературе достаточных сведений о свойствах покрытий вызывают необходимость дальнейшей разработки проблемы по­верхностной прочности. В сфере покрытий в ближайшее время следует ожидать решения задач механики твердо­го тела, связанных с распределением контактных, меж­фазных и остаточных напряжений и нахождением путей управления ими или полезного использования остаточ­ных напряжений в особенности.

Существует острая потребность в высокотемператур­ных покрытиях для режущего инструмента, обеспечи­вающего возможность обработки без использования СОЖ, нежелательных для окружающей среды. Также су­ществует потребность в самосмазывающихся высоко­температурных покрытиях для керамики, возможно на основе смазывающих оксидов, образуемых на имплантированных металлических ионах. Можно ожидать имплан­тации подходящих ионов в керамические поверхности, на которых могут присоединяться полярные присадки моле­кул, образуя граничные смазывающие пленки в комбини­рованных металлокерамических узлах двигателей. Нако­нец, можно предполагать формирование или даже раз­работку твердых смазок при наличии только одного молекулярного слоя на каждой стороне полностью глад­кой поверхности трения, где поверхность раздела между двумя пленками смазки будет являться как бы легкой плоскостью скольжения твердосмазочного материала. Также имеется потребность в покрытиях, которые могут хорошо работать с водой или смазками и охлаждающими жидкостями, разлагаемых микроорганизмами.

Предполагается возможность создания интеллектуаль­ных покрытий и пленок, реагирующих на определенные стимулы и отвечающих на них некоторыми профилакти­ческими мерами (возможность самовосстановления). Тон­кие сенсорные пленки уже используются, и поскольку по­требности в них возрастают, есть основания считать, что технология их получения будет существенно развиваться.

В сфере производства в общем будет сдвиг в направ­лении постепенного увеличения производственных программ, существенного улучшения контроля технологи­ческих процессов, к более низкой температуре поверх­ности основы, к увеличению масштабов использования плазменных источников ионной иммерсии (ПИИИ) и подобной техники с улучшенной выходной мощностью и пр. Ожидается расширение использования комбини­рованных методов инженерии поверхности, а также соз­дание, разработка и совершенствование более техноло­гичных процессов, которые не требуют, например, ва­куума, таких как газотермическое напыление и, прежде всего, высокоскоростное газопламенное и др.

И, наконец, в сфере инженерии поверхности суще­ствует потребность в четких стандартах, технологии пе­редачи технологий из лабораторий в промышленность и сообщения исследовательских нужд используемых сис­тем в научные сообщества [29]. Следует ожидать, что большая часть поверхностей будет подвергаться систем­ному проектированию в широкой гамме изделий, от наукоемких до повседневных потребительских товаров. Следовательно, необходимо развивать системный под­ход и накапливать справочные данные, позволяющие поверхностной обработке или покрытиям стать частью общего процесса выбора материалов, и не выбираться задним числом — разработка покрытия и основы долж­ны выполняться одновременно, должны стать интегри­рованным процессом. Необходимо также совершенст­вование существующих и разработка новых методик точного прогнозирования долгосрочного поведения по­верхностей при эксплуатации по результатам кратко­срочных лабораторных испытаний.

Применение покрытий, кроме защитных функций, открывает возможности создания принципиально новых материалов (композитов) с расширением их свойств или полностью новыми функциональными свойствами, на­пример, электронной проводимостью, пьезо - и ферроэлектрическими свойствами и др. [12]. Экономические преимущества связаны с тем, что такие дорогостоящие материалы, как нержавеющая сталь и суперсплавы, мо­гут быть заменены относительно тонкими слоями раз­личных материалов. Эта экономия расширяется за счет увеличения долговечности оборудования и уменьшения простоев оборудования и эксплуатационных расходов. Например, только алмазные и алмазоподобные пленки, осаждаемые различными плазменными технологиями, имеют громадные перспективы применения [30]: износо­стойкие, для защиты инструментальных материалов, ан­тифрикционные, оптические, высокотемпературная элек­троника, высокотемпературные сенсоры, радиационно-стойкая электроника и др. Самостоятельным направле­нием является использование технологии покрытий для восстановления изношенных деталей и инструментов.

Инженерия поверхности имеет многоцелевое назна­чение и приобретает характер массового промышленно­го использования. Это требует коренного изменения мышления, образования, конструирования и связанных с ней организационно-экономических проблем. Однако пока очень мало работ, посвященных технико-экономи­ческому анализу процессов нанесения покрытий и мо­дифицирующей поверхностной обработке [13, 31—35]. Научно-технические программы в сфере инженерии по­верхности и их постановка нуждаются в критериях оценки их эффективности, особенно с точки зрения их экономи­ческих последствий. Требуется прогнозировать научно-техническое развитие инженерии поверхности, а также его экономические, социальные и экологические послед­ствия. Необходима разработка соответствующей системы показателей научно-технического прогресса в этой сфере и их оценка для различных вариантов.

Инженерия поверхности приобретает все большее значение как эффективное средство достижения эконо­мии материалов и энергии параллельно с улучшением технико-экономических характеристик машин и других изделий, созданием принципиально новых изделий и продуктов. Структура экономии за счет использования инженерии поверхности включает компоненты прямой и косвенной экономии, а также затраты на дополни­тельные исследования в этой области.

Прямая экономия может проявляться в следующих формах:

• при эксплуатации машинной техники вследствие снижения коэффициента трения;

• снижение простоев машин вследствие повышения их надежности и долговечности;

• снижение затрат на ремонт и восстановление машин;

• снижение затрат на материалы при замене дорого­стоящих сплавов более дешевыми при изготовлении массивных деталей;

• снижение расхода смазочных материалов;

• снижение массы транспортных машин за счет ис­пользования легких сплавов и соответствующее уменьшение расхода энергии;

• возможность многократного восстановления деталей;

• повышение производительности работы машин;

• снижение брака вследствие повышения технологиче­ской надежности работы машин;

• повышение качества выпускаемой продукции;

• снижение затрат на изготовление изделий при перехо­де на использование в качестве основного более легко обрабатываемого материала (например, замена чугун­ных блоков цилиндров на алюминиевые сплавы). Косвенная экономия может проявляться за счет:

• уменьшения сортамента сталей и других конструкци­онных и инструментальных сплавов;

• прямого экологического эффекта, связанного с ис­пользованием инженерии поверхности (уменьшение или полное прекращение вредных выбросов и пр.);

• косвенного экологического эффекта, связанного с уменьшением потребности в конструкционных мате­риалах и экономии природных ресурсов;

• уменьшения капитальных затрат в связи с уменьше­нием потребности в машинах и конструкционных материалах.

Социальный эффект может быть связан с улучшени­ем условий труда, повышением безопасности работы и пр., а также созданием новых изделий (медицина, новые изделия и продукты).

Список литературы

1. Харламов Ю. А., Будагьянц Н. А. Физика, химия и ме­ханика поверхности твердого тела. Луганск: Изд-во Восточно-Укр. гос. ун-та. 2000. 624 с.

2. Кисилев В. Ф., Козлов С. Н., Зотеев А. В. Основы фи­зики поверхности твердого тела. М.: Изд-во Московского ун­та. Физический факультет МГУ, 1999. 284 с.

3. New surface engineering techniques can make metals and plastics more resistant to heat and corrosion. Chem. Eng. 1994. April. 35.

4. Джост П., Шофил Дж. Экономия энергии с помощью триботехники. Технико-экономическое исследование // Тре­ние и износ. 1982. Т. 3. № 2. С. 356-366.

5. Fundamental economical aspects of' functional coatings for tribological applications / C. Friedrich, G. Berg, E. Broszeit, C. Berger// Surface and Coatings Technology. 98 (1998). P. 816—822.

6. Pohl M. Szstematische Analzse von VerschleiBschaden. VDIBBerichte. N 1231, Diisseldorf, 1995.

7. Сорокин Г. М. Трибология на пороге XXI века // Вест­ник машиностроения. 1998. № 5. С. 3—6.

8. Колотыркин В. И., Янов Л. А., Княжева В. М. Высоко­энергетические способы обработки поверхности для защиты металлов от коррозии // Коррозия и защита от коррозии (Ито­ги науки и техники ВИНИТИ АН СССР). 1986. 12. С. 185-259.

9. Economic effects of Metallic Corrosion in the United States. US Dept. Commerc., Nat. Bur. Standard., Spec. Publ. N 511/1. March 1978.

10. Jorn Larsen-Basse. Surface engineering and the new millen­nium // Surface Engineering. 1998. V. 14. N 2. P. 81—83.

11. Budinski K. G. Surface engineering for wear resistance. New York, NY, Prentice Hall, 1988.

12. Sndarshan T. S. Tools for engineered surfaces // Surface En­gineering, 1998. V. 14. N 6. P. 449-450.

13. Ляшенко Б. А., Клименко С. А. Тенденции развития уп­рочняющей поверхностной обработки и положение в Украине // Сучасне машинобудування. 1999. № 1. С. 94—104.

14. UK surface engineering industry worth 2103 billion in 2010 // Surface Engineering. 1998. V. 14. No. 2. P. 83.

15. Robert B. Heimann, Plasma-Spray Coating. Principles and Applications. Weinheim; New York; Basel; Cambrige; Tokyo: VCH,

1996. 339 p.

16. Гаркунов Д. Н., Балабанов В. И. Восстановление двига­телей внутреннего сгорания без их разборки // Тяжелое маши­ностроение. 2000. № 2. С. 18-22.

17. Андреев А. А., Картамазов Г. Н., Кунченко В. В. Покры­тия для поршневых колец // Тяжелое машиностроение. 2000. № 2. С. 9.

18. Проблемы создания экологически чистого дизельного двигателя / О. П. Солоненко, 3. Р. Исмагилов, О. Н. Лебедев, О. Ю. Подьячева // Пленки и покрытия-98 (Тр. 5-й Междунар. конф. "Пленки и покрытия-98") под ред. В. С. Клубникина. С. ­Петербург: Полиплазма, 1998. С. 135—141.

19. Шатров А. С. Плазменное электролитическое оксидиро­вание алюминиевых сплавов — реальный путь повышения надеж­ности и эффективности деталей машин // Пленки и покрытия-98 (Тр. 5-й Междунар. конф. "Пленки и покрытия-98") под ред. В. С. Клубникина. С. - Петербург: Полиплазма, 1998. С. 82—88.

20. ЕРА: National Metal Finishing Environmental R&D Plan, EPA/600/R-97/095. Sept. 1997.

21. Патон Б. Е. Современные электронно-лучевые техноло­гии Института электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины // Современные проблемы и достижения в области сварки, род­ственных технологий и оборудования на рубеже XXI века. Ма­териалы междунар. науч. - техн. конф. 27—28 апр. 2000 г. С. - Пе­тербург. 2000. С. 1 — 17.

22. North В. Six issues for the hard coatings community // Sur­face and Coatings Technology. 106 (1998). P. 129-134.

23. Мацевитый В. М. Покрытия для режущих инструментов. Харьков: Вища школа, 1987. 128 с.

24. Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент / Ю. Н. Внуков, А. А. Марков, Л. В. Лаврова, Н. Ю. Бердышев. Киев: Тэхника, 1992. 143 с.

25. Верещака А. С., Третьяков И. П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1986. 192с.

26. Применение режущего инструмента из быстрорежущих сталей, твердых сплавов, минералокерамики и поликристалли­ческих сверхтвердых материалов в промышленности / Н. В. Новиков, Г. Г. Карюк, С. А. Клименко, Л. Н. Девин // Сучасне машинобудування. 1999. № 1. С. 50—59.

27. Антонюк В. С., Дигам М. С. Новое в формировании уп­рочняющих покрытий фрикционных поверхностей // Сучасне машинобудування. 2000. № 1. С. 105—110.

28. Калита В. И., Соколов В. Н., Парамонов В. А. Трехмер­ные капиллярно-пористые покрытия // Физика и химия обра­ботки материалов. 2000. № 4. С. 55—61.

29. Bull S. Surface engineering in UK academia // Surf. Eng.

1997. 13. 177-178.

30. Suchentrunk R., Staudigl G., Jonke D., Fuesser H. J. In­dustrial applications for plasma processes — examples and trends // Surface and Coatings Technology. 97 (1997). P. 1—9.

31. Friedrich C., Berg G., Broszeit E., Berger C. Fundamental economical aspects of functional coatings for tribological applica­tions // Surface and Coatings Technology. 98 (1998). P. 816—822.

32. Grun R. Economical and ecological aspects of plasma surface engineering // Surf. Coat. Technol. 60 (1993). P. 613—618.

33. Ebert Т., Stewart R. A., Booske J. H., Sainfort F. Cost model for commercial plasma source ion implantation // Surface and Coatings Technology. 102 (1998). P. 8-18.

34. Теория и практика газопламенного напыления / П. А. Витязь, В. С. Ивашко, Е. Д. Манойло и др. Минск: Навука i тэхшка, 1993. 295 с.35.

Куприянов И. Л., Буров И. С. Технико-экономические аспекты применения газотермических покрытий в машино­строении // Использование порошковой металлургии в маши­ностроении: Материалы семинара Экономической комиссии ООН для Европы. Минск, 1985. С. 1 — 10.


Ю. А. ХАРЛАМОВ, д-р техн. наук (Восточно-Украинский национальный университет)


Инженерия поверхности и развитие современного машиностроения - 4.0 out of 5 based on 1 vote

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить