Перспективная металлургия

 Обработка металлов давлением: прорыв от «макро» через «микро» к «нано»

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.

(Продолжение следует)