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)