Развитие точного и энергетического машиностроения, авиа- и судостроения, космической техники и ядерной энергетики, электротехники, автомобилестроения и других отраслей постоянно вызывает потребность в высококачественной и более наукоемкой трубной продукции из традиционных и новых материалов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами. К такой категории трубной продукции относятся прецизионные трубы.
В современных условиях к прецизионным трубам предъявляются в разных комбинациях довольно жесткие требования: по материалу – высококачественный металл с точным химическим составом; предельные отклонения по наружному и внутреннему диаметрам, толщине стенки доходят от долей миллиметра до нескольких микрометров; длина от нескольких сот миллиметров до 75 000+500 мм и более (в зависимости от наружного диаметра); хорошая проходимость канала (для капиллярных труб); чистота наружной или внутренней поверхностей может достигать минимального значения 0,048 мкм.
При этом наблюдается устойчивая тенденция в миниатюризации изделий с оптимальными эксплуатационными характеристиками. Естественно постоянно повышаются требования к прецизионным трубам.
В этой связи новый толчок в своем развитии получила не только металлургия (в части выплавки помимо качественных сталей и сплавов на основе цветных металлов с высокой чистотой и новыми свойствами, а также материалов нового класса – прецизионных сплавов с регламентированными физико-химическими и физико-механическими свойствами), но и машиностроение (в части изготовления прецизионного оборудования и технологического инструмента для изготовления труб другого, более высокого уровня качества).
В ряде случаев существующие массовые технологии производства практически достигли своих теоретических пределов и нуждаются в кардинальном обновлении.
Сейчас особая роль отводится развитию наукоемких отраслей производства с высоким уровнем добавленной стоимости. На современном этапе развития мировой экономики к таким направлениям, безусловно, следует относить нанотехнологии. Они требуют малых затрат энергии, материалов, не нуждаются в обширных производственных и складских помещениях. С другой стороны, их развитие требует высокого уровня подготовки ученых, инженеров и технических работников, а также особой организации производства.
В основе научно-технического «прорыва на наноуровне», форсируемого промышленно развитыми странами, лежит использование новых, ранее не известных свойств и функциональных возможностей материальных систем при переходе к наномасштабам, определяемым особенностями процессов переноса и распределения зарядов, энергии, массы и информации при наноструктурировании. Многие из кардинально отличных свойств наноматериалов по отношению к объемным того же химического состава обусловлены эффектами многократного увеличения доли поверхности нанозерен и нанокластеров (до сотен квадратных метров на грамм). С этим связаны новые свойства многих конструкционных и неорганических наноматериалов.
В нанотехнологиях управляющая информация передается нанозондом персонально каждому атому и молекуле «силовым методом». В этом скрыто принципиальное отличие нанотехнологий от традиционных, где поток управляющей информации подается исходному материалу как целому. В сферу такой деятельности подпадают объекты с размерами (хотя бы вдоль одной координаты), измеряемыми нанометрами. Это ничтожно малая величина, сопоставимая с размерами атомов. Нанотехнология имеет дело с осуществлением технических процессов на молекулярном уровне, т.е. инженеры имеют дело со сверхмалыми частицами размером до 1 нм (или одной миллиардной метра).
Исследователи обнаружили, что вещество на атомном уровне ведет себя совершенно иначе. В этом и заключается задача нанотехнологий: найти атом с необходимыми свойствами и поставить на правильное место. Незначительная доля наночастиц трансформирует знакомые материалы до «неузнаваемости» – настолько, что в них начинают проявляться совершенно неожиданные и полезные свойства.
Они сегодня заложены в основу большинства инновационных решений во всех сферах ежедневного способа производства. Такая интегрирующая роль выдвигает их на одно из первых мест в сфере критических технологий, без развития которых сегодня ни одно государство мира не может претендовать на конкурентный технологический прогресс и создание своей интеллектуальной собственности в сфере науки и технологий.
Есть два главных способа создания наноматериалов. Один из них – «снизу-вверх». Эти методы предполагают, что наноструктуры с заданными свойствами формируются последовательно из атомов и молекул, от мельчайших объемов – к более крупным. такой путь развития нанотехнологий связан, в первую очередь, с использованием дорогостоящей аппаратуры.
Существует и второй путь – «сверху-вниз», или от объемного материала – к высокодисперсным (т.е. мельчайшим) частицам. Он не требует таких больших затрат, к тому же, в Украине есть определенный задел в этой области исследований, так что тут определенно можно получить результат.
Исследования в суперсовременной области требуют соответствующих инструментов. В данном случае – мощнейших микроскопов (электронных, тоннельных), а также с использованием ядерно-магнитного резонанса. Такие приборы в Украине есть, так что их следует собирать для крупных центров, объединяющих усилия ученых разных специальностей, с целью коллективного использования.
Нанопорошки все чаще находят применение в качестве наполнителей для новых материалов и композитов, компонентов многих покрытий и др. Получает развитие научное направление квантовое материаловедение. Свойства материалов в значительной мере определяются микроструктурой, формируемой в процессе термической и механической обработки. Возникает она как результат фазовых превращений в материале. Целесообразно рассматривать и проводить исследования в сфере получения наноструктурированных сталей.
Сейчас к основным нанотехнологиям, распространенным в цветной металлургии, следует отнести следующие: доведение размеров порошков до наноразмеров (порошковая металлургия); получение фольги и лент с помощью контролируемой скорости охлаждения при их кристаллизации; использование методов интенсивной пластической деформации литых и порошковых заготовок; совершенствование микроструктуры и создание новых материалов на основе эффектов дисперсионного твердения и дисперсного упрочнения (нанофазность).
ОАО «Институт Гипроцветметобработка» успешно решает задачи с помощью разработки и практической реализации в промышленном масштабе новых дисперсионно-твердеющих сплавов. Для низколегированных медных сплавов реализуется теория создания многофазных дисперсионно-твердеющих сплавов, где каждая из образующихся в сплаве фаз «несет ответственность» за свою температурную область его упрочнения (эстафетное, или каскадное упрочнение). Созданы новые дисперсионно-твердеющие медные сплавы на базе сплавов, упрочняемых обычно холодной деформацией, когда варьированием режимов термической и термомеханической обработки достигается измельчение их макроструктуры, изменяется характер распределения фазовых составляющих и ликвационных процессов в системе, растет технологичность метпроизводства полуфабрикатов.
Нанотехнологии находят применение при металлообработке (в процессах обработки металлов давлением). Развиваемые в условиях Института проблем сверхпластичности металлов РАН и ОАО «Институт Гипроцветметобработка», нетрадиционные методы деформации – такие как кручение под гидростатическим давлением, равноканальное угловое прессование (РКУП – на чистой меди удалось увеличить более чем на порядок предел текучести), мультиосевая деформация, знакопеременный изгиб, винтовое прессование и др. – обеспечивают деформирование заготовки без изменения сечения и формы при достижении необходимых высоких степеней деформации и измельчения зерна. Обычные методы деформации (прокатка, волочение, прессование и др.) в конечном счете приводят к уменьшению поперечного сечения заготовок и не дают возможности достигать больших степеней измельчения зерна.
Кроме того, в ОАО «Институт Гипроцветметобработка» разработаны технологии, совмещающие горячую пластическую деформацию с закалкой и старение с теплой деформацией или с кратковременным нагревом под пайку.
В Государственном предприятии «Научно-исследовательский институт трубной промышленности (ГП «НИТИ», Днепропетровск) автором этой статьи выполнен комплекс исследований при изготовлении прецизионных труб малых размеров с микронными стенками (диаметром менее 20 мм и толщина стенки 0,03 мм и менее) из прецизионных сплавов, в частности, на основе титана, с применением процесса волочения на подвижной оправке и последующей термопластической деформации (совместного нагревания и охлаждения системы «оправка-труба» для создания зазора между трубой и оправкой для последующего извлечения оправки из трубы). После этой операции в металле готовых труб образовывалось супертонкое зерно, получить которое традиционными способами изготовления не удавалось.
В 80-е гг. в ГП «НИТИ» были проведены успешные опыты по изготовлению труб из газофазного вольфрама с применением процесса теплого волочения на подвижной оправке с подпором, основанным на эффекте различия температурных коэффициентов линейного расширения материалов трубы и оправки. В целом можно отметить, что производство прецизионных труб напрямую связано с нанотехнологиями в металлургии.
Украина является одной из немногих стран мира (среди таких развитых стран: США, Германия, Япония, Франция, Финляндия, Швеция, Англия, Италия, Россия), имеющая мощности и научно-технический потенциал, позволяющий производить прецизионные трубы. Основными производителями прецизионных труб в Украине являются Интерпайп НДТЗ; ГП «Днепропетровский завод прецизионных труб» (бывший Опытный завод ГП «НИТИ»); ГП «Никопольский трубный завод»; ЗАО «Никопольский завод нержавеющих труб»; ЗАО «ВСМПО-Ависма»; ЗАО «Луганский трубный завод»; ЗАО «Никопольский завод стальных труб «ЮТиСТ».
В начале 2007 г. ОАО «Днепропетровский трубопрокатный завод» заявил о своих намерениях до 2008 г. организовать производство прецизионных труб в трубоволочильном комплексе (объединении двух ТВЦ). Сейчас прорабатывается вопрос о строительстве до 2013 г. на промплощадке ОАО «Сумское машиностроительное производственное объединение им. Фрунзе» современного мини-завода по спецметаллургии и производству прецизионных труб из циркониевых сплавов для ТВЭЛов АЭС.
Нанотехнологическая революция, которая уже идет по планете, скажется практически на всем – от компьютеров до медицины. Возможность синтезировать наномасштабные элементы структуры с точно регулируемыми размерами и составом, а затем собирать такие элементы в более крупные структуры, обладающие уникальными свойствами и функциями, приведет к перманентным изменениям во многих отраслях промышленности.
Сейчас непрерывно возрастает роль порошковых и композиционных материалов. И в этой сфере ученые накопили солидный задел по технологиям получения новых нано- и композиционных покрытий для продления срока службы конструкционных материалов, легированных порошковых сталей и сплавов с наноструктурой для высоко прочных и теплостойких деталей машин и механизмов, получения особочистых порошков цветных и редких металлов и др. Необходимо уделять значительное внимание индустрии наносистем как приоритетному направлению развития науки и техники, определяющему повышение роли высоких технологий в экономике государства.
Существующие предприятия – производители прецизионных труб в Украине нуждаются в коренной реконструкции и модернизации, внедрении современных технологий. В числе приоритетов при производстве прецизионных труб должны быть нанотехнологии и наноматериалы.
Автор: Стасовский Юрий Николаевич, доктор технических наук, профессор Национальной металлургической академии Украины