Құрылмалы, аспаптық және триботехникалық материалдар

Құрылмалы машина жасаудағы наноматериалдар әлі кеңінен қолданылмайды. Ұнтақ түріндегі наноматериалдарға қатысты бұл ұнтақ бұйымдарының мөлшерлері мен формасының шектеулігіне және күйдіру кезінде наноқұрылымды сақтау қиындығына байланысты. Төмен аққыштық пен нығыздалу, оңай тотығу, ластану және англомерация да ұнтақты наноматериалдарды қолдану кезінде қиыншылықтар туғызады. Сонымен қатар бірқатар жағымды жақтарын да айта кетуге болады. Мысал ретінде 1,2 ГПа қысым кезінде ыстық (Т=400°С престеу арқылы ұнтақталған аморфты ұнтақтардан алынған беріктілігі жоғары (o =1,4 ГПа ) аммонийлі балқымаларды (Al Ni Y Co,) келтіруге болады. Бұл балқымалар құрылымында мөлшері 30 - 100 нм кристалды нанобөлшектер байқалды, ал салыстырмалы ұзару 1 % болды. Аморфты күйден бақыланбалы кристалдау арқылы алынған Al, Ni, Ag, Cu қоспалары бар цирконийлі балқыламалар да созу мен қысу кезінде жоғары механикалық қасиеттер көрсетті (6.27-сурет).

Сонымен қатар, гидростатикалық экструзия әдісімен өңделген күйдірілген мыс ультрадисперсті ұнтақтарының мысалында да беріктілігі жоғары және иілгіштігі жеткілікті үлгілерді алу мүмкіндігі көрсетілді.

Жалпы алғанда металды наноматериалдардың беріктігі мен қаттылығы әдеттегі материалдардан 4-6 есе жоғары, бірақ иілгіштік параметрлері төмен болғандыктан, көбінесе морт сынғыш болып келеді. Осыған байланысты оларды қолдану кезінде конструктивті безендіру маңызға ие. Ол басым бөлігінде қысу жағдайында (соғу емес) бұйымдар эксплуатациясын қамтамасыз етіп, морт сынғыш жарықшалардың (тренщина) таралуына бөгет болады және бұзушы кернеулердің мүмкін болатын деңгейін бірнеше есеге арттырады. Сонымен, металды наноматериалдарды құрылмалы бұйымдар ретінде қолданудың алғышарттары бар.

Fe және FeCr қоспалары бар Al,O, негізіндегі керметті нанокомпозиттер (кристаллиттер мөлшері 40-60 нм) механохимиялық синтезбен және одан әрі ыстық изостатикалық пресстеу арқылы дайындалуы мүмкін. Бұл материалдар 10-15 ГПа қаттылық пен 7-9 МПа м05 беріктікке ие бола тұра, төмен және жоғары температуралық үйкеліс түйіндерін дайындауға перспективті болып қарастырылуы мүмкін. Көп фазалы оксидті және оксидсіз нанокомпозиттер де перспективті ыстыкка төзімді материалдар ретінде қарастырылады. Түйірлерінің мөлшері 100 нм-ден кем Al,O,-(Y Al,O,,)-ZrO, типіндегі эвтектикалық композиттер механикалық қасиеттерінің жоғары тұрақтылығымен сипатталады: 20°C кезінде о =1,2 ГПа, 1200°С кезінде о =1ГПа. Түрлі қоспалары бар SiC негізіндегі нанокомпозиттердің жоғары температуралық беріктігі оларды газотурбинді техниканы жасауда қолданылуына мүмкіндік береді.

Наноматериалдардан жасалған бұйымдардың эксплуатация жағдайлары аспапты өнеркәсіпте, сонымен қатар, жалпы және арнайы машина жасауда көп жағдайда қысушы кернеулер сызбанұсқасын ұйғарады, яғни бұл жерде иілгіштік қасиеттерінің азаюы көп қиындық тудырмайды. Жалпы жағдайда қаттылықтың артуы антифрикционды және фрикционды бұйымдардағы кесуші аспап пен үйкеліс түйіндерінің тозуға төзімділігін арттырады. 1970 - 1980 ж.ж УССР ғылым Академиясы материалтану мәселелерінің Институтында өңделіп шығарылған бор нитриді негізіндегі нанокристалды материал - гексанит жоғары температураларда жоғары тазалықты өңдеуге қолданылады.

Аспапты наноматериалдар (қатты балқымалар, тез кесуші болаттар, алмаздың нанокристалдарынан алынған таза аспап, жаңа материалдар және т.б) зерттеліп жатыр. Вольфрам карбидінің наноұнтақтарын (5-8%) қосу құрылымның біртектілігін арттырады және беріктілік мәндерінің ауыткуларын азайтады. 1990 жылдары кең жарнамаланған эксплуатациялық қасиеттерді төрт есе арттыратын нанокристалды құрылымды қатты балқымалардың американдық технологиясы өнеркәсіптік деңгейде әлі кең таралған жоқ. Бұл өнеркәсіптік сұйық фазалы күйдіру режимдерінде қатты балқымалардың бастапқы құрылымын сақтау қиындығына байланысты. Соған қарамастан Nanalloyinfralloyтммаркалынаноқұрылымдықаттыбалқыламалардың тәжірибелік партиялары пилотты қондырғыларда дайындалады.

Қаттылығы (Н =22-24 ГПа) және жарықшаға беріктігі (~10 МПа м12) жоғары болғандықтан, нанокристалды қатты балқымалар терең теңіздегі мұнайды барлауға арналған бұрғылаушы аспапты дайындау үшін перспективті болып саналады.

Өте қатты фуллериттер үлгілері 200-1600°С температуралар интервалында жоғары қысымдарда (9-13 ГПа) тығыздау (компактілеу) арқылы алынды. Бұл үлгілер каттылығының оптималды мәндері 100 ГПа (жеке жағдайларда 300 ГПа) болды, ал көлемдік серпімділік модулі алмаздан жоғары болып, 500 ГПа-ді құрайды. Ерекше механикалық қасиеттерге ие бұл материалдар қатты материалдардың каттылығы мен трибологиялық сипаттамаларын өлшеуге арналған қондырғылардағы инденторларды дайындау үшін қолданыс тапты.

Наноқұрылымды карбидті, нитридті және боридті үлпектер (TiN, TiB., Ti(C,N), (TiAl)N және т.б.) көптеген елдерде өнеркәсіптік масштабта металөңдеуші аспапта тозуға төзімді қаптамалар ретінде бұрыннан қолданылуда. Технологиясы арнайы жабдықты (магнетронды шашыратудың көп катодты қондырғысы) қолдануды талап ететін көп қабатты нитритті қаптамалармен, әсіресе, ерекше қатты материалдарды механикалық өңдеу үшін экономиялық тұрғыда орынды. Бұл қаптамалар технологиясы ірі жалпы европалық жоба арқасында жүзеге асты. Батыс Европа елдерінде көп қабатты қаптамалар мөлшері аспаптарға шаққанда шамамен 10-15%. CrN/NbN көп қабатты қаптамалары тозуға жоғары төзімділікпен қоса, коррозиялық беріктілікке ие. Бұл оларды түрлі агрессивті орталар жағдайында (мысалы, тоқыма өнеркәсібінде полиэфирлі талшықтарды өндіру кезінде) қолданудың болашағы бар екенін көрсетеді.

Қалыңдығы 1,5-3,5 мкм TiN және Ti(C,N) бір қабатты үлпектерінің коррозиялық және эрозиялық тұрақтылықтары, сонымен қатар, термиялық шаршауға кедергісі жоғары болғандықтан, олар алюминийлі балқымаларын құю өндірісінде формаларды қаптау үшін қолдануға болашағы бар.

Өнеркәсіпте тозуға төзімді қаптамаларды алу үшін және тозған бұйымдарды газотермиялық шашырату әдісімен калпына келтіру үшін наноұнтақтарды (Al,O, - Ti,O, WC - Co, Cr,C, - Ni және т.б.) қолдана бастады. Бұл әдіс өнімділігі айтарлықтай жоғары; қаттылық пен тозу төзімділігі 1,3 - 2 есе артады. Өнеркәсіпте көптен бері нанобөлшектер негізіндегі жылтыра тушы пасталар мен тозуға қарсы препараттар тиімді қолданылуда. Соңғыларын машиналар мен түрлі механизмдердің үйкеліс зоналарына енгізіп, бұл олардың жұмыс істеу ресурсын арттырады және көптеген техникалық-экономикалық көрсеткіштерді жақсартады (мысалы, қалдық газдардағы СО мөлшері 3-6 есе азаяды). Үйкеліс жұптарының бетінде пайдалану кезінде тозу өнімдері мен майлағышқа енгізілетін нанобөлшектердің әрекеттесуі есебінен түзілетін тозуға қарсы қабат пайда болады. РиМЕТ типті препараттарды өнеркәсіптік көлемде Ресейде «Жоғары дисперсті металды ұнтақтар» (Екатерин бург) ғылыми-өндірістік кәсіпорны өндіреді.

Аэроғарыштық технологиялар үшін TiN/MoS,, TiB,/MoS,, WC/ аморфты көміртек/WS, негізіндегі жаңа үлпекті антифрикционды композициялық наноматериалдар өңделіп шығарылды. Магнетронды шашыратумен немесе лазерлі буландыру аркылы алынатын бұл объектілер бір жағынан жоғары тозуға төзімділікті қамтамасыз ететін қаттылықпен (~10-20 ГПа), екінші жағынан құрылымында қатты майлағыштардың (периодты жүйенің VI-топ ауыспалы металдарының халькогенидтері) болуымен анықталатын төмен үйкеліс коэффициентімен (0,1 кем) сипатталады. Бұл материалдар түрлі орталарда (вакуумда, ылғал ауада, азотта және т.б.) температураның кең интервалында үйкеліс кезінде тұрақты қолданылуы мүмкін.

Полимерлі матрицаларға бөлшектер мен талшықтарды қосу, полимерлердің физикалық-химиялык қасиеттері мен отқа төзімділігін арттырудың белгілі тәсілі. Көптеген металды материалдарды нанобөлшектермен армирленген полимерлерге ауыстыру автомобиль жасауда автомобиль массасының азаюына, бензин шығыны мен зиянды қалдықтардың азаюына әкеледі. АҚШ-та автомобиль жасау, құрылыс және т.б. салалар үшін жеңіл және экономикалық тиімді нанокомпозитті материалдарды өндіретін арнайы бағдарлама жасалған.

Резинотехникалық және басқа да пластмассалық бұйымдарға күйені қосу бұрыннан қолданылады. Бірақ бұл технология экологиялық талаптар тұрғысынан тиімді емес. Қазіргі кезде басқа қоспаларды (AI,O,, SiO, және т.б. нанобөлшектер) қолдану бойынша зерттеулер жүргізілуде. Құрамында алмаз нанокристалдары мен көміртекті нанотүтікшелер қоспасы бар нанокомпозиттердің физика-механикалық қасиеттері интенсивті зерттелуде. Алынған мәліметтер беріктілікті және тозуға төзімділікті арттырумүмкіндігіндәлелдейді. 6.2-кестедетехникалыккөмір- тек пен нанокристалды алмаз қоспалары бар политетрафторэтиленнің қасиеттері бойынша салыстырмалы мәліметтер келтірілген.

Алмаздың артықшылықтары айқын, көміртекті нанотүтікшелер қоспасы есебінен беріктілікті біршама арттыруға болады.