bigpo.ru
добавить свой файл
1 2
(Тематическая подборка)

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.

Редакция

УДК 621. 787

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

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).


следующая страница >>