Машиностроение является, в основном, потребителем объемных наноструктурированных материалов (стали, титан и его сплавы, алюминиевые сплавы, керамика, пластмассы и композиционные материалы), материалов с памятью, порошковых материалов и комплектующих наноизделий (гидро- и электрооборудование, нанопродукция приборостроения и др.). Существенный эффект ожидается от внедрения технологических процессов нанесения износостойких покрытий на режущие инструменты, штампы и пресс-формы, а также износо, коррозионно-, жаростойких и водооталкивающих покрытий деталей машин. Важное значение имеет наноструктурированная продукция триботехнического направления и оборудование для обработки деталей с нанометровой точностью и для нанесения нанопокрытий. При этом улучшение соответствующих качественных показателей (прочность, твердость, пластичность, износо. жаро, коррозионная стойкость и т.д.) может быть достигнуто как посредством введения того или иного технологического процесса (литье, прессование, нанесение покрытий и т.д.) получения нанопорошков, нанотрубок, фуллеренов, так и за счет соответствующих технологических режимов изготовления заготовок и изделий (равноугольное прессование, термомеханическая обработка и др.). Сами по себе наноматериалы в чистом виде, например, углеродные трубки, не нужны: серьезные положительные изменения в экономику в том числе и в машиностроение, внесут макроматериалы из нанотрубок или содержащие нанотрубки [8].
По прогнозам американской ассоциации National Science Foundation мировой объем рынка товаров и услуг с использованием нанотехнологий может в ближайшие 10…15 лет вырасти до 1 трлн. долл. В том числе в промышленности материалы с высокими заданными характеристиками, которые не могут быть созданы традиционными способами, могут в ближайшие 10 лет занять рынок объемом 340 млрд. долл. [5]. Рабочая группа по Форсайту РНЦ «Курчатовский институт» считает [4], что к 2015 году будет происходить формирование рынка потребителей наноматериалов и псевдонаноматериалов (рыночных высокотехнологичных продуктов, заявленных как нанотехнологические, но таковыми не являющихся). Появится большое число потребительских нанопродуктов, в которых тем или иным образом используются нанотехнологии, конструкционные композитные материалы на базе высокопрочных волокон (углеродных нанотрубок) для промышленного применения, например, в авиастроении, автомобильной и военной технике; увеличится применение нанопорошков и нанопокрытий, в том числе в машиностроении, применение нанотехнологий для производства абразивных материалов, буровых и металлообрабатывающих инструментов.
В последнее время и в России наметились определенные успехи в практической реализации научных исследований. Так, наноструктурированная продукция инструмен-тального и триботехнического назначения уже сейчас не уступает лучшим зарубежным аналогам.
В отчете ФЦНТП [5] представлены результаты внедрения в производства ряда изделий с применением нанотехнологий, в том числе непосредственно для машиностроения или которые могут быть применены на предприятиях данной отрасли.
Так на СП «Мосвирт» методом ИПД организовано про-изводство поворотных резцов с наноструктурными кер-нами для фрезерования асфальтобетонных покрытий дорог, пластов в соле и угледобыче. Объем продаж таких резцов за последние пять лет достиг 5 млн. долл. Освоено производство пластин режущего инструмента с объемом выпуска 1 млн. шт. в год. Освоено производство наноструктурированных гид-роштампованных нержавеющих фитингов (крестовины, угольники, переходники). Сортамент – сталь 12Х18Н ЮТ диаметр 6–50 мм, толщина стенки 0,8 – 2 мм.
Созданы промышленные образцы новой импорто-замещающей продукции и инновационных проектов в области объемного наноструктурирования традицион-ных металлов, обеспечивающих повышение долговечности. Это стальные и керамические изделия конструкционного, инструментального и триботехнического назначения, нержавеющие оболочки для малых космических аппаратов и ветроэнергетики, фитинги нового поколения; изделия для авиакосмического, энергетического и транспортного машиностроения, строительных, добывающих и перерабатывающих отраслей. Объем требуемых инвестиций на завершение ОКР и организацию промышленного производства по всей номенклатуре оценивается в 34 млн. долл. По расче-там авторов разработок при импортозамещении всего 1% рынка инвестиции окупятся за 1,5 года.
Без изменения химического состава стандартных быстрорежущих сталей и твердых сплавов ВК и ВМ за счет термоциклического наноструктурирования и ионного синтеза SiC и SiO2 из плазмы кремния создан уни-кальный металло- и деревообрабатывающий строи-тельный и буровой комбинированный инструмент, не имеющий аналогов по стойкости и на 1520% дешевле лучших мировых образцов.
Заметный прогресс достигнут в области производства ультрадисперсных нанопорошков. Расширяются и области их применения. Так, выпускаемые концерном «Наноиндустрия» наноразмерные порошки на основе сер-пентинитов нашли массовое применение в узлах трения практически всех видов оборудования. Речь идет о тех-нологии восстановления изношенных узлов и механизмов промышленного оборудования до первоначальных параметров с помощью специальных ремонтновосстановительных составов (РВС). Стоимость ремонта по РВСтехнологии в 2 – 3 раза ниже, чем при использовании обычных технологий, что позволяет заменить плановые ремонты планово-предупредительной обработкой с увеличением межремонтного срока в 1,52 раза. Экономия электроэнергии и топлива после РВС составляет 1015%.
Эта технология уже используется на ряде крупных предприятий: в ГУП «Мосводоканал», на Московской железной дороге, во ФГУП ММП «Салют», ОАО «Аэроприбор», ОАО «Карачаровский механический завод», на Московском метрополитене, в грузовом аэропорту Шереметьево. Ее успешные испытания прошли в странах Европы. Значительный эффект обеспечивается не только при получении наноструктур объемных материалов на металлической или керамической основе, но и в результате образования в поверхностных слоях изделия нанофазных комплексов, например, путем имплантирования ионов Сr. Ti, С в поверхности контактирующих деталей. Наноструктуризация поверхностей деталей под-шипников повышает их долговечность в 2 3 раза (с 150 200 до 500 600 млн. циклов), долговечность инструмента возрастает в 5 6 раз.
Порошки медных сплавов в течение длительного времени используются для произ-водства противоизносных препаратов марки РиМЕТ. Реметаллизанты серии РиМЕТ – это препараты, включающие наночастицы, особо активные в зонах трения и покрытые специальной оболочкой. Частицы свободно циркулируют в масле, не взаимодействуя с ним, а используя его как средство доставки в зоны трения. Здесь под действием высокой температуры и давления частицы активируются и начинают соз-давать на поверхности пар трения новый слой. Этот слой образуется при взаимодействии частиц препарата и продуктов износа металлической поверхности и принимает на себя всю нагрузку с поверхности пар трения. При этом наблюдаются следующие процессы: нормализация структуры кристаллической решетки, снятие поверхностной усталости, заполнение задиров.
РиМЕТ 500 – реметаллизант, эффективный с любыми типами мотор-ных масел, разработан специально для сельхозтехники и двигателей транс-портных средств. При его использовании существенно повышается ресурс двигателя, увеличивается мощность. В случае систематического применения РиМЕТ 500 (при каждой замене масла) значительно возрастает межремонтный пробег, снижается расход масла, уменьшается уровень шума и содержание оксида углерода в выхлопных газах, облегчается запуск двигателя.
В настоящее время на передовых предприятиях машинострои-тельного комплекса Воронежа реализуются восемь основных технологий на наноуровне, шесть из которых непосредственно для машиностроения, в том числе [10]:
Из данных наноматериалов может быть изготовлена различная уникальная продукция: изделия авиационнокосмической техники 5го поколения, жидкие и твердые смазки для пар трения, суперэффективные химические аккумуляторы для синтеза новых веществ и др.
В МИСиС разработан процесс получения покрытий на поверхности материала рабочих поверхностей электрода, находящегося в электролите, на поверхности которого при пропускании электрического тока загораются перемещающиеся микродуговые разряды, температура в которых достигает 7000оС. Рост покрытия происходит вследствие высокотемпературного экзотермического окисления. Данная технология микроплазменного оксидирования дает возможность получения покрытий, характеризующихся высокими твердостью (до 1950 HV), износостойкостью, защитно-коррозионными свойствами и адгезией к металлической основе.
Из более 80 проектов, включенных в ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2012 годы» только 8 посвящены их практическому использованию в машиностроении. Так же только 7 проектов, внедрение которых планируется осуществить в машиностроении (из 37 для всех отраслей), одобрены к финансированию ГК «Роснанотех», в том числе:
Параллельно будет осуществляться внедрение уже имеющихся разработок.
Так в разделе «Машиностроение и металлургия» постоянно действующей выставки «Нанотехнологии и наноматериалы» МИСиС (Москва) представлено около 20 разработок практического применения нанопродукции для машиностроения на уровне опытных промышленных образцов и готовых технологий, в том числе: прецизионный жаропрочный медный сплав с многослойными фуллероидными наноструктурами «Астрален» для Московской монорельсовой дороги, резцовые вставки из поликристаллических алмазов и нитрида бора, технология микроплазменного оксидирования для нанесения оксидно-керамического нанокристаллического покрытия и др. Работы по разработке и внедрению нанотехнологий и наноматериалов ведутся непосредственно на машиностроительных предприятиях в содружестве с институтами.
На основании анализа открытых информационных источников установлено:
• машиностроение, в основном, является потребителем как наноструктурных, так и наноструктурированных материалов, и нанотехнологий;
• отечественный уровень разработок наноматериалов и нанотехнологий для машиностроительных отраслей соответствует мировому, а порой и превосходит его;
• нанотехнологии и наноматериалы могут найти применение во всех технологических переделах машиностроительного производства: литейное (ультразвуковые нанотехнологии подготовки формовочных материалов и изготовления гипсовых форм с повышенными физикомеханическими свойствами для цветного литья, влияние наносекундных электромагнитных импульсов на расплавы цветных металлов [6] и др.), кузнечнопрессовое, сварочное, инструментальное производства, термообработка, гальваника, сборка, нанесение изно, коррозионностойких, лакокрасочных, воодоотталкивающих и других покрытий, а также при ремонте как технологического, так и выпускаемого предприятием оборудования;
• тормозом для освоения нанотехнологий и наноматериалов для машиностроения является как низкий технический уровень предприятий машиностроительных отраслей России, так и отставание России в производстве наноматериалов (нанопорошков, нанотрубок, фуллеренов и др.). Так, если, например, производство наноалмазных порошков серийно освоено на нескольких предприятиях (заводы в Ленинградской и Свердловской областях), то выпуск нанотрубок насчитывает единицы килограммов (нет спроса). В то же время на заводах стран Евросоюза объем производства нанотрубок – сотни тонн в год.
• существующие ставки банковского кредита делают невозможным рентабельное освоение инноваций;
• недостаточное внимание вопросам обучения и повышения квалификации специалистов – будущих потребителей нанотехнологий и наноматериалов (в том числе руководителей и специалистов машиностроительных отраслей промышленности), а также пропаганде достижений в области наноиндустрии для машиностроения.