Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. Вместо «макро» (колеса, валы, шестеренки) должны работать «микро» (молекулы, атомы, ионы, электроны и т.д.), которые легко управляются полями с помощью физико-химических эффектов.
Переход с макро- на микроуровень
Долгое время глубина познания окружающего мира ограничивалась только переходом от «макроуровня» к «микроуровню», а из-за отсутствия необходимого инструмента сдерживался переход к «наноуровню».
Основную концепцию нанотехнологий в 1960 г. изложил американский физик Ричард Фейнман, выдвинувший идею идти «сверху вниз». На одной из лекций он заявил: «Внизу (масштабной шкалы – ред.) полным-полно места».
Возможности экстенсивного развития техсистем – ТС (за счет изменений на макро-уровне) быстро исчерпываются, а рост МГЭ (массы, габаритов, энергоемкости) ограничивается, например, физическими пределами. Поэтому переход на микро-уровень неизбежен: начинается задействование все более глубинных структур вещества, высвобождение при этом дополнительных резервов энергии, выявление и использование новых (неизвестных на макро-уровне) свойств материи, применение более управляемых полей и легкоуправляемых микрочастиц вещества. Это единственный путь интенсивного развития ТС – повышение организованности (с точки зрения целей человека) все более низких системных уровней вещества.
Возможны три направления (три линии) перехода с макро- на микроуровень:
• увеличение степени дробления вещества и объединение дробных частей в новую систему;
• увеличение степени дробления «смеси» вещества с пустотой (переход к капиллярно-пористым материалам);
• замена вещественной части системы на полевую (переход к действию «поле + вещество» или только к полю).
Третий пласт задач связан с встраиванием наноразмерных структур и элементов в микро- и макроразмерные конструкции, где необходимо развитие существующих технологий создания элементов с уменьшением предельно-контролируемых размеров. Успехи по миниатюризации устройств во многом связаны с разработкой новых технологий.
Возможен ли «прорыв» в металлургии от «макро» через «микро» к «нано»?
Эксперты отмечают, что черная металлургия как отрасль сложно совместима с нанотехнологиями: там производство отличается большим тоннажем, при этом выпускаются в основном конструкционные материалы. Кроме того, черная металлургия полного цикла относится к числу «зрелых отраслей» с низкой инвестиционной привлекательностью и характеризуется большой инертностью.
Тем не менее, целесообразно проводить исследования в сфере получения наноструктурированных сталей. Известный ученый-металлург, академик Н.П. Лякишев отмечал: «…известно, что свойства металлов улучшаются «измельчением» их структуры. Чем мельче частицы, из которых состоит сталь, тем выше ее качество. Прочность металлов в наносостоянии возрастает в 3-4 раза, твердость – во сто крат, несказанно усиливается стойкость к коррозии. Уже есть методы получения нанопорошков».
Со второй половины XX в. предпринимались шаги по реализации различных подходов получения металлопродукции с новыми свойствами (нетрадиционными методами) с использованием процессов и машин обработки давлением. Среди наиболее ярких достижений в этой области применение интенсивных пластических деформаций, благодаря которым создаются наноматериалы с уникальными механическими свойствами: высокая прочность, хорошая пластичность, высокая вязкость, склонность к сверхпластичности, низкий коэффициент трения.
Вокруг нанотехнологий поднято слишком много шумихи, хотя пока имеет смысл вести речь лишь о создании новых материалов, обладающих свойствами, которые в обычном микроструктурном состоянии не проявляются. Как показывает мировая практика, самый быстрый эффект, как правило, дает использование нанотехнологий в мелкосерийных производствах.
Современное состояние металлургии
Современные масштабы производства в металлургии достигли значительных объемов: выплавка стали в мире превысила 1,2 млрд. т в год; более 80% выплавленной стали перерабатывается в металлопродукцию с использованием различных способов обработки металлов давлением (прокатное, трубное и кузнечно-штамповочное производства).
Со своими громоздкими производствами металлургия, в частности обработка металлов давлением, весьма тяжело приспосабливаясь к рынку, упускает время. В настоящее время только сравнительно незначительный сегмент в металлургическом производстве занимает специальная металлургия, направленная на производство прецизионных сплавов и прецизионной конкурентоспособной металлопродукции из них.
Усиливается тенденция в поиске новых подходов в получении сталей и сплавов с новыми эксплуатационными характеристиками (более высокая прочность, коррозионная стойкость и др.). Это обусловлено более жесткими требованиями со стороны их потребителей.
На современном этапе развития производства прецизионной металлопродукции в соответствии с современными требованиями потребителей и усиливающейся важнейшей тенденцией в области развития современных отраслей – миниатюризации всех ее компонентов и систем. В этой связи можно отметить достижения в этом направлении. Существуют технологии и производства: особотонкостенных труб (внешний диаметр от 20 до 0,1 мм; толщина стенки от 0,1 мм до нескольких микрометров); фольги (толщина 1 мкм и менее), причем – тончайшая фольга в мировой практике известна под названием «сусальное золото» и ее толщина составляет 0,5 мкм. Толщина фольги из алюминия колеблется в пределах 1,5-7 мкм, из меди и олова – 7 мкм; проволоки (диаметром до нескольких микрометров).
В индустриально развитых странах мира на многих современных предприятиях используются агрегаты для получения ленты, проволоки и полой трубной заготовки непосредственно из жидкого металла. Это, прежде всего, обеспечивает плотное строение металла, отсутствие усадочной раковины, чистоту поверхности и сокращение дефектов металлургического производства (раковин, газовых включений, пузырей и т.п.), улучшение структурной однородности и получение заготовки неограниченной длины.
Предпосылки ожидаемого «прорыва» от «макро» через «микро» к «нано» в процессах и машинах обработки металлов давлением
В апреле 2011 г. профессор Майк Келли из центра «Advanced Photonics and Electronics» Кембриджского университета, заявил, что невозможна организация массового производства наноструктур с диаметром менее трех нанометров с использованием технологии «Сверху вниз» (данный подход использует технологии, в результате которых из массивных материалов получают наноматериалы путем измельчения). Пропагандируемый М. Келли альтернативный подход – «Снизу вверх» – включает в себя сборку на атомарном, или как правило, молекулярном уровне, что позволяет строить наноматериалы так же, как «головоломки». Однако этот процесс слишком непредсказуемый для бездефектного массового производства наноматериалов.
В тоже время в мировой практике определились ряд приоритетных направлений и уже известны реальные достижения, которые можно убедительно считать предпосылками ожидаемого «прорыва» от «макро» через «микро» к «нано» в процессах и машинах обработки металлов давлением.
Ключевые приоритеты развития нанотехнологий:
Развитие прецизионного машиностроения, микротехнологий
Производство микро- оборудования и инструмента для изготовления прецизионной металлопродукции и собственно реализации прогрессивных микро-технологий; можно уже говорить о наличии примеров использования микро- и нанообработки, микро- и нанотехнологий и микроинструментов.
Разработка новых материалов для инструмента
Сверхтвердый режущий инструмент нового поколения из: нанопорошка кубического нитрида бора; нанокристаллического сплава с различным соотношением вольфрама, никеля и азота; наноструктурированного композиционного материала на основе диоксида циркония и др.
Разработка новых материалов для производства металлопродукции с уникальными свойствами на основе традиционных металлов
• Повышение свойств конструкционных материалов за счет формирования микро- и нанокристаллической структуры, т.к. наноразмерные структуры конструкционных материалов открывают уникальные возможности для получения нового уровня свойств: высокой прочности, твердости, износостойкости при достаточно высокой пластичности. Например, сталь 12Х18Н10Т с нанокристаллической структурой обладает хорошим соотношением прочности и пластичности.
• Получение легких материалов высокой прочности, позволяющих увеличивать полезные нагрузки на транспорте и экономию топлива. Композиционный материал на основе наноструктурированных кристаллов частично стабилизированного диоксида циркония – созданы заготовки фильер для получения проволоки, втулки подшипников скольжения; азотирование сплавов никеля и вольфрама (Ni-W), т.к. образование нитридов приводит к повышению износостойкости и твёрдости сплава, эти сплавы могут применяться для изготовления лопаток турбин, штампов горячей ковки, подшипников; оригинальная наносталь, обеспечивающая повышение мощности ядерных реакторов на энергоблоках на 30-40%, позволит увеличить проектный срок службы корпуса реактора стационарной АЭС до 100 лет и более; бронзы серии Supralloy в которых величина зерна не превышает 3 мкм, из которой изготавливают ленты толщиной 0,08 до 0,35 мм и стержни и успешно заменяют в ряде случаев дорогостоящие спецсплавы, основные области применения – автомобилестроение и техника связи; экологически безопасные коррозионностойкие стали для ортопедической стоматологии взамен применяемых в настоящее время никельсодержащих сталей и сплавов.
Применение процессов обработки металлов давлением для получения новых материалов
• Многообразие методов порошковой металлургии – компактирование нанопорошков, интенсивная пластическая деформация (ИПД) и кристаллизация из аморфного состояния – обеспечивает широкие возможности для получения наноматериалов; для прессования нанопорошков применяют одноосное прессование: статическое – в пресс-формах, штамповка; динамическое – магнитно-импульсное, взрывное и вибрационное – ультразвуковое.
• Для получения высокоплотных однородных материалов используется всестороннее – изостатическое прессование: гидро-, газо-, квазигидростатическое – в специальных пресс-формах под высоким давлением. Применяется также метод ИПД – кручение под высоким давлением. Перспективный способ получения наноматериалов – спекание нанопорошков под давлением; нетрадиционные методы – кручение под гидростатическим давлением, равноканальное угловое прессование, знакопеременный изгиб – позволяют деформировать заготовку без изменения сечения и формы и достигать необходимых высоких степеней деформации и измельчения зерна.
• Новый метод всесторонней изотермической ковки с поэтапным снижением температуры деформации, что открывает новые возможности для изготовления широкого ассортимента сложнопрофильных изделий методом изотермической штамповки при относительно низких температурах с использованием недорогого штампового инструмента, «макро»-метод всесторонней ковки является универсальным, он позволяет получать объемные наноструктурные полуфабрикаты из различных металлов и сплавов, таких как магниевые, алюминиевые, титановые, медные сплавы, стали, включая труднодеформируемые никелевые жаропрочные и интерметаллидные сплавы; методы пластического деформирования металлов и сплавов в условиях всестороннего сжатия при криогенных температурах, позволяющие криодеформацией в условиях всестороннего сжатия получать структурные состояния, обеспечивающие металлу высокие механические характеристики в широкой области температур.
Использование технологических и металловедческих приемов
Микролегирование переходными элементами и многоступенчатая термическая обработка с целью создания наноразмерных частиц; создание термически стабильных наноразмерных композитных частиц в Al-Li сплавах и др.; возможно формирование однофазных наноразмерных зерен, занимающих весь объем материала. Уменьшение размера зерен в области наномасштаба увеличивает прочностные свойства в несколько раз.
Использование информационных технологий
Компьютерное проектирование наноструктур и новых материалов. Основная задача – получить программное обеспечение, которое позволит создавать реалистичные структурные модели материалов и сплавов с целью изучения их физических свойств; компьютерное виртуальное проектирование машин, ее испытание, передача виртуальной модели на завод, адаптация ее под технологический процесс по виртуальным технологическим схемам и передача информации на станки, которые изготавливают ту или иную деталь) и др.
Реальные масштабные инновационные проекты в металлургическом производстве по получению металлопродукции нового поколения
• В РФ на Синарском трубном заводе организовывается производство прецизионных труб из нержавеющих сталей и сплавов; на Челябинском МК стартует проект по строительству нового рельсобалочного стана, главной продукцией станут ж/д рельсы длиной до 100 метров, в процессе их выпуска планируется использовать нанотехнологии, что позволит значительно увеличить скорость движения поездов; в условиях «ММК-Метиз» организовывается производство арматуры для ж/д шпал нового поколения на основе технологии термодеформационного наноструктурирования.
• Разработана технология производства проката для труб нефтегазового комплекса, которая включает как создание новых химических составов сталей, так и совершенствование сталеплавильного производства, непрерывной разливки и ковшовой обработки, термодеформационной обработки металла; разработана и внедряется технология интегрированного деформационно-термического производства высокопрочной горячекатаной листовой стали, обладающей уникальным сочетанием микроструктурных характеристик и механических свойств для универсального и специального назначений, в том числе обладающих повышенными бронезащитными характеристиками; новые коррозионностойкие стали аустенитного и аустенитно-ферритного классов предназначены для получения высокопрочных изделий, таких как тончайшая проволока для упругих элементов и мединструмента, а также высоконагруженных деталей.