наноструктурированных абразивных материалов

УДК 621.92
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ ПОБОЧНЫХ
ПРОДУКТОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НОВЫХ
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ АБРАЗИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Степанов Ю.С., Барсуков Г.В., Фроленков К.Ю., Барсукова О.С.
Россия, г. Орел, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК»
Авторами приводиться сведения о возможности наноструктурированния абразивных материалов, получаемых из техногенных побочных продуктов промышленности.
Ключевые слова: наноструктурирование поверхности, диффузионные покрытия, вторичные техногенные
отходы, абразивные материалы
The author gives information about the possibility of nanostructuring abrasive materials derived from industrial byproducts industry.
Keywords: surface nanostructuring, diffusion coatings, secondary, technogenic waste, abrasives
Высокие требования, предъявляемые к точности и качеству деталей машин, а также
применение труднообрабатываемых материалов в машиностроении и других отраслях
промышленности привели к возрастанию удельного веса абразивной обработки в общем
объеме механической обработки.
О большом внимании индустриально развитых стран к абразивным материалам,
как наиболее прогрессивным инструментальным, а в ряде случаев и конструкционным материалам, свидетельствует тот факт, что в настоящее время ведущие промышленно развитые страны (США, Япония, Германия, Англия, Италия, Франция) используют до 80% всех
добываемых природных и производимых искусственных абразивов. При этом одной из
основных областей применения абразивов является машиностроение, металло- и камнеобработка. В этих отраслях используется около 70% общего объема производства абразивных материалов.
Основными достоинствами абразивных материалов являются их высокие твердость, износо- и теплостойкость. Эти материалы позволяют обрабатывать заготовки со
скоростью резания до 120 м/с, а в отдельных случаях и более. Такие инструменты дают
возможность проводить окончательную обработку заготовок, имеющих высокую твердость, полученную после термической обработки. Такие заготовки, как правило, не подлежат обработке лезвийным инструментом. Применяемые в качестве абразивов минералы
естественного и искусственного происхождения: алмазы; кубический нитрид бора; электрокорунды белый, нормальный и легированный хромом и титаном и др. очень дорогие и
у них низкая стойкость к удару. Ежегодная потребность в таких материалах более 100
млн. тонн.
Большинство развитых зарубежных стран давно практикует политику сбережения
своих минеральных ресурсов, интенсивно вовлекая в переработку техногенные месторождения, утилизируя отходы производства, разрабатывая технологии переработки этих отходов. Подобная тенденция использования вторичных ресурсов наблюдается в Канаде,
Великобритании, ЮАР, Испании и других странах.
Основная особенность предлагаемой разработки это использование техногенных
побочных продуктов промышленности, например, отходов производств, что позволит
снизить стоимость абразивного материала в 5 – 10 раз при обеспечении необходимой
твердости и прочности, а так же ввести в хозяйственный оборот вторичные ресурсы. В
России скопилось в отвалах более 80 млн. тонн конвертерного шлака, который серьезно
осложняет экологическую обстановку.
Особенно остро нуждается в создании отечественного абразивного материала с заданными функциональными свойствами отрасли промышленности, связанные с производством космической, ракетной и военной техники, авиа-, судо-, автомобиле- и машиностроением, где широко используется технология резания труднообрабатываемых, высоко-
прочных и толстолистовых материалов сверхзвуковой гидроабразивной струей, альтернативы которой зачастую нет. В настоящее время производство и продажа оборудования для
гидроабразивного резания самый быстрорастущий сегмент станкостроительной промышленности. По данным маркетингового исследования только в России эксплуатируется
около 500 гидроабразивных установок, в основном зарубежного производства.
Традиционно используют только импортный абразив типа граната, добываемого
заграницей в Австралии, Индии, Китае, Новой Зеландии. Отечественным предприятиям
приходится его использовать, несмотря на высокую цену, так как в России и в ЕЭС абразивные материалы для этих целей не производят. Затраты на абразив для одной установки
составляют 60 %, порядка 3,0 млн. руб. в год. Использование сверхтвердых и более дорогих абразивов типа электрокорунда и карбида кремния, производимых в России, оказалось
непрактичным, потому что они быстро изнашивают сопла.
При этом только в России при отсутствии аналогов спрос на подобные абразивные
материалы очень велик и составляет не менее 5 тыс. тонн в месяц.
Основным конкурентным преимуществом продукции полученной при выполнении
проекта это снижение себестоимости на 20 – 50 %.
Коллектив исполнителей проекта на протяжении последних 20 лет выполняла исследования в области прочности абразивных материалов при сверхзвуковых взаимодействиях, проводила испытания на прочность различных типов абразивных материалов,
изучала закономерности структурно-фазовых превращений и связанных с ними изменений свойств абразивных материалов при различных воздействиях. Нами не найдены аналогичные решения на рынке.
Основные недостатки абразива из техногенных побочных продуктов промышленности – не высокая твердость и низкая ударная вязкость 5 – 6 по шкале Мооса. Остается
не решенной проблема улучшения функциональных свойств этих материалов для абразивной обработки. Поэтому изучение формирования структурно-фазового состояния тонкого поверхностного слоя техногенных неорганических веществ может стать чрезвычайно
перспективным направлением как в фундаментальном аспекте понимания механизма ноноструктурирования хрупких материалов, так и в прикладном – при разработке абразивных материалов с уникальными физико-механическими характеристиками для промышленного применения.
Успешное выполнение данной работы позволяет решить весьма актуальную проблему создания термостойких, механически прочных, инертных и относительно дешёвых
абразивных инструментов из техногенных побочных продуктов промышленности на основе оксидов железа, кремния, магния и кальция.
Задача изучения строения и энергетического состояния поверхностных фаз - сверхтонкого (в несколько атомов) слоя на границе раздела фаз, находящегося в состоянии термодинамического равновесия с объёмом и обладающего своей собственной кристаллической и электронной структурами - важнейшее направление в области создания наноматериалов.
Впервые объектом исследований, проводимых в настоящей работе, являются поверхностные слои наноструктурированных абразивных материалов, получаемых из техногенных побочных продуктов промышленности [1, 2].
Список литературы
1. Барсуков, Г.В. Разработка технологии модификации вторичных техногенных абразивных материалов для гидроабразивного резания [Текст] / Г.В. Барсуков, А.А. Александров, К.Ю. Фроленков // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – № 3-2. - 2013. – С. 82 – 90.
2. Барсуков, Г.В., Исследование процесса диффузионного нанесения покрытий на поверхность абразивного зерна [Текст] / Г.В. Барсуков, А.А. Александров, А.В. Михеев, К.Ю. Фроленков / Международная
конференция «Научные принципы и подходы, методы и технологии, системный анализ и статистическая
обработка данных о создании, диагностике, модернизации композиционных материалов и покрытий с нано-
добавками, работающих в условиях динамического и высокоэнергетического нагружения» 26 – 27 сентября
2013 г. Россия, Москва. – C. 78 – 85.
Степанов Юрий Сергеевич, д.т.н., профессор, директор НОЦ «Орелнано» ФГБОУ ВПО
«Госуниверситет-УНПК», г. Орел.
Тел. (4862) 541503, E-mail: yury057@yandex.ru
Барсуков Геннадий Валерьевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «КТОМП» ФГБОУ
ВПО «Госуниверситет-УНПК»
Тел. (4862) 541503, E-mail: awj@list.ru
Фроленков Константин Юрьевич, к.т.н., доцент кафедры «Химия и биотехнология»
ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК»
Тел. (4862) 41-98-92, E-mail: chemistry@ostu.ru
Барсукова Олеся Сергеевна, инженер ООО «Орловский абразивный завод»
E-mail: orelabraziv@mail.ru