Развитие материаловедения

1. Основные и вспомогательные материалы с улучшенными свойствами. Новейшие материалы

Традиционные конструкционные материалы обладают существенными недостатками: трудоемкие в производстве и обработке, имеют большой удельный вес, активно подвергаются коррозии. В связи с их антикоррозионной обработкой увеличиваются трудозатраты, происходит удорожание изделий. Другим существенным недостатком применения стали и чугуна является их технология производства, загрязняющая окружающую среду производственными отходами (шлаки), оксидами углерода (сажи).

В настоящее время стали возможными разработка, создание и использование материалов с улучшенными и уникальными свойствами, материалов, которые меняют свои свойства в зависимости от определенных условий и нагрузок, метастабильных материалов и материалов, обладающих «памятью». В неполный перечень основных и вспомогательных материалов входят:

• черные и цветные металлы, прежде всего стали, чугуны, алюминий, медь, магний, титан;
• пластмассы, керамика, углерод, силикаты, волокна, композиты, синтегран, цемент;
• горюче-смазочные материалы, охлаждающие жидкости и различные присадки.

Дисперсно-упрочняемые карбидостали состоят из металлической матрицы и мелких (менее 1 мкм) частиц оксидов, нитридов или карбидов, которые препятствуют движению дислокаций, что увеличивает прочность материала. Получают эти материалы методом порошковой металлургии. В зависимости от материала матрицы создаются жаропрочные и жаростойкие дисперсно-упрочняемые карбидостали, по свойствам превосходящие многие стали и специальные сплавы.

Керметы (карбидостали и ферритотитаны) по типу близки к дисперсно-упрочняемым карбидосталям, имеют высокую объемную долю керамической фазы. Керметы очень износостойки и по режущим свойствам превосходят быстрорежущие стали. Широко используются волокнистые, слоистые и волоконные композиты: стеклопластики и углепластики с полимерными и металлическими матрицами, металлическими или керамическими волокнами. К ним же относятся и композиты с особыми свойствами:

• высокопрочные композиты с высокой электропроводностью;
• сверхпроводники;
• проводники с контролируемыми свойствами;
• волоконная оптика;
• наноматериалы.

Перспективными направлениями использования сверхпроводниковой керамики являются магнитные подшипники, гистерезисные электродвигатели и транспорт на магнитной подушке.

К естественным волокнистым композитам относятся естественные дисперсно-упрочненные и волокнистые композиты, среди которых наиболее перспективно второе поколение композитов, направленных эвтектик (НЭ) или эвтектических композитов (ЭК). В них в результате медленной направленной кристаллизации получается особая структура. Направленные эвтектики сохраняют свою прочность при очень высоких температурах (газотурбинные двигатели и т. п.).

Монокристаллы — это отдельные (единичные) однородные кристаллы с непрерывной кристаллической решеткой. Для исключения разрушения материала изделий при высоких температурах, которое происходит, в первую очередь, вдоль границ зерен материала, изготавливается изделие в виде одного большого зерна, или монокристалла. Металлические и неметаллические монокристаллы используются в авиации и наземной газотурбинной технике, а также в полупроводниковой оптике, лазерной технике, волоконной оптике.

Аморфные материалы (металлические стекла) — это новый класс металлических материалов, у которых нет упорядоченного расположения атомов, присущего кристаллам. Аморфные материалы обладают высокой прочностью (до 5 000 МПа), а также высокой твердостью, низкой коэрцитивной силой¹ и повышенным электрическим сопротивлением.

¹ Коэрцитивная сила — характеристика ферроили ферримагнитного материала, количественно определяемая как напряженность внешнего магнитного поля, необходимого для изменения намагниченности тела от значения остаточной намагниченности до нуля, т. е. до полного размагничивания.

Их коррозионная стойкость в сотни раз выше, чем у коррозионных сталей. Аморфные материалы получаются путем быстрой и сверхбыстрой кристаллизации, для тонких пленок — осаждением металла из паровой фазы на подложку. Для аморфных слоев на поверхности изделий используют ионную имплантацию. Аморфные материалы идут на изготовление пленки, лент, проволок, волокон и порошков различных назначений, а также служат исходным материалом для получения материалов с микро- и нанозернистой структурой, величина зерна которых менее 0,1 мкм.

Сверхравновесные (аномальные) твердые растворы — это Перенасыщенные твердые растворы. В основном это алюминиевые сплавы, в которых методом быстрой и сверхбыстрой кристаллизации добиваются повышенного содержания нужных элементов. Также для получения сверхравновесных твердых растворов используют метод гранульной металлургии, т. е. распыление жидкого металла с высокой скоростью охлаждения жидких частиц с последующим горячим изостатическим прессованием при температурах ниже температур начала распада аномальных твердых растворов. Ультрадисперсные материалы (УДМ), или наноматериалы, состоят из частиц размером менее 100 нм (менее 0,1 мкм). Размеры частиц в УДМ соизмеримы с длиной пробега электронов в металлах. Благодаря нанотехнологиям стало возможным создание из нескольких атомов нужных структур, смоделированных на компьютере и не существующих в природе.

Применяются УДМ в электронике, термоядерной технике, в качестве добавок к моторным маслам. С их использованием изготавливают самолеты-невидимки типа «Стелс», графитовые бомбы, суперброню танков и бронежилетов, лекарства быстрого усвоения.

Функциональные порошковые материалы используются для изготовления очень большой номенклатуры изделий, восстановления деталей, производства инструмента и т. д. Использование порошков позволяет получать новые виды материалов, недоступные традиционной металлургии. Основные группы порошковых материалов: стали, никелевые сплавы, твердые материалы, электротехнические и магнитные материалы, ферросплавы, цветные металлы и керамические материалы. Применение порошков позволяет повысить коэффициент использования металла от 0,30 … 0,72 до 0,98, а также улучшить качество изделий. Например, износостойкость инструмента, изготовленного из порошкового материала, в 2,5 — 4,5 раза выше износостойкости аналогичного инструмента, изготовленного из стали Р18.

Интерметаллиды представляют собой уникальный класс материалов, которые сохраняют упорядоченную структуру вплоть до температуры плавления, т. е. температуры плавления и упорядочения совпадают. Интерметаллиды занимают промежуточное место между металлами и керамиками как по типу химической связи, так и по свойствам.

Синтегран — новый неметаллический материал с высокими механическими свойствами. Он получается из крошки гранита и связующей смеси, при затвердении не дает усадки, хорошо гасит вибрации, легко схватывается с металлом. Синтегран можно использовать для изготовления корпусных деталей, валов, ступиц зубчатых колес, стержней инструментов и деталей других типов. Пленочные материалы применяют при изготовлении телефонов, компьютеров и процессоров.

Жидкокристаллические и плазменные материалы используют при изготовлении дисплеев и телевизоров.

Широкое применение нашли также полупроводниковые материалы, материалы высокой температурной сверхпроводимости, карбонильные металлы — кристаллы, выращенные в газовой среде.

2. Снижение материалоемкости производства

Материалоемкость — это суммарная масса всех материалов, расходуемых на изготовление машины. Она является показателем расхода материальных ресурсов при производстве какой-либо продукции и выражается либо в натуральных единицах расхода сырья, материалов, топлива и энергии, необходимых для изготовления единицы продукции, либо в процентах стоимости используемых материальных ресурсов в структуре себестоимости продукции.

В системе комплексного использования сырья и материалов основными направлениями снижения материалоемкости производства являются материалосберегающие технологии. При выборе конструкционных материалов с целью их экономии, не снижая эксплуатационные качества машин и механизмов, учитывают следующие требования:

• конструкционная прочность;
• технологичность получения деталей и изделий;
• технологичность выбранной упрочняющей технологии;
• доступность материала и его экономическая целесообразность;
• снижение металлоемкости;
• надежность и долговечность машин и механизмов.

Например, станины токарно-винторезного станка не могут быть изготовлены из цветных металлов или неметаллических материалов, так как к ним предъявляются требования по массе, жесткости конструкции, демпферным свойствам, технологичности в изготовлении и низкой стоимости. Этими свойствами на сегодня обладают литейные серые чугуны, и весь станочный парк производится из различных чугунов. С другой стороны, в конструкции станины станка можно предусмотреть различные конструктивные и технологические элементы (например, ребра жесткости, скругления, технологические отверстия, полости и др.), уменьшающие металлоемкость, улучшающие технологичность, не снижая при этом эксплуатационные качества станка.

Исходя из требования конструкционной прочности возникает необходимость увеличения предела усталости, выносливости, снижения или устранения хрупкого разрушения, что повышает надежность и долговечность работы как отдельных деталей и узлов, так и машин в целом. Этим требованиям должны отвечать зубчатые колеса, червячные пары, валы различного назначения, штоки, оси железнодорожных вагонов, рамы машин всех видов, сварные конструкции и т. п.

В одних случаях в качестве конструкционного материала применяется углеродистая сталь обыкновенного качества, в других, где это необходимо, легированная высокопрочная особовысококачественная сталь. При этом конструкторы исходят из технологической и экономической целесообразности и эксплуатационных требований.

Практика показывает, что в литейном производстве в качестве основного конструкционного материала будет оставаться чугун, так как чугунное литье по технологическим и экономическим показателям имеет ряд преимуществ перед другими литейными материалами. Между тем ученые, конструкторы и технологи работают над вопросами снижения металлоемкости чугунных отливок, повышения их качества. В 80-х гг. XX в. в литейном производстве нашел применение так называемый чугун с вермикулярной (червеобразной) формой графита — ЧВГ-чугун. Этот вид чугуна имеет однородную структуру и, следовательно, одинаковые свойства в различных сечениях отливок и их направлениях.

В конце XX в. российские ученые разработали и получили ряд новых конструкционных материалов. Это и новые легированные стали, например стали аустенитного класса, которые обладают высокой вязкостью, прочностью и пластичностью, — трип-стали. Кроме того, выпущены низковольфрамовые и безвольфрамовые, низкоуглеродистые и безуглеродистые быстрорежущие стали. Например, титан, растворенный в низкоуглеродистой стали, обладает ферромагнитными свойствами (ферромагнетик). Штамповый инструмент, изготовленный из этого материала, в десятки раз превосходит по стойкости инструментальные легированные стали. Если пуансоны и матрицы из легированной стали дают возможность изготовить 10 — 15 тыс. деталей, то из ферромагнетика можно изготовить до 100 — 150 тыс. аналогичных штамповок. Ферромагнетик обладает высокой рабочей твердостью, ударной вязкостью, стойкостью и адгезией.

Новый класс быстрорежущих сталей марок Р2М5, Р2М8Ф2К5 (низковольфрамовые) и Р0М2Ф2, Р0М8 (безвольфрамовые) обладает более высокими красностойкостью (до 720 °С) и режущими свойствами. Эти стали нашли применение в изготовлении токарных и строгальных резцов, фрез.

Повышение стойкости инструмента из быстрорежущих сталей проводят нанесением покрытий из карбидов титана и бора, ионным азотированием и импульсной сваркой. Стойкость такого инструмента повышается в 2 — 3 раза. Все эти направления связаны с уменьшением металлоемкости продукции машиностроения.