Технические науки/1. Металлургия

Баясилова З.А., Бурлаков С.А., Спичак Е.В.

Карагандинский государственный индустриальный университет, Казахстан

НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ВНЕДРЕНИЯ

Нанотехнология, являясь одной из наиболее динамично развивающихся современных наук, располагает механизмами манипуляции атомными структурами различных материалов. Впечатляющие достижения в области производства наноматериалов за последние годы обусловили широкий интерес из круга практически всех разновидностей технической деятельности. В связи с этим область металлургии оказалась в череде сфер деятельности, участвующих в проектах по внедрению средств и методов нанотехнологий.

Однако, следует иметь в виду, что поскольку одной из целей металлургической отрасли является в основном производство конструкционных материалов, то внедрение новейших нанотехнологий в данный сегмент, как минимум в ближайшей перспективе, не в состоянии выдать какие-то «запредельные» результаты, будь то создание микроскопических нано-роботов, способствующих повышению регенерации органов в теле человека - в медицине, или производство изделий сложнейших форм – в архитектуре.

Благодаря тому, что многие отраслевые компании начинают активно инвестировать в исследовательскую деятельность в области наноматериаловедения, в ближайшие годы ожидаются значительные улучшения в плане потребительских свойств металлургической продукции. Учеными-специалистами из области металлургической промышленности было замечено, что возможности повышения механических характеристик различных структур сталей, посредством применения дорогих легирующих компонентов практически исчерпаны. Наряду с этим, выбор делается в пользу совершенствования традиционных материалов с использованием новых технологий, как единственного способа достижения максимальной эффективности.

К примеру, известно, что повышение прочности в конструкционных материалах традиционными методами обычно приводит к состоянию охрупчивания, которое чаще всего обуславливается внутренними изменениями. Напротив, наноструктурированные материалы способны обеспечить относительно оптимальные сочетания механических свойств конструкционного материала, где положительный результат достигается не путем применения дорогостоящих легирующих элементов, а посредством использования особенностей атомной структуры материала в нанометровом масштабе. Теоретически, изменение размера частиц металлического изделия до десятков нанометров должно привести к повышению его прочности на порядки.

Кроме того, следует принимать во внимание, что отрасль металлургии является конструкционной базой для автомобилестроения, авиастроения, транспортной и энергетической областей. Из этого следует, что перспективы развития данных областей в значительной степени зависят от совершенствования методологии изготовления конструкционных материалов в сфере металлургической промышленности.

Классификация наноструктурированных материалов представлена на рисунке 1.

Посредством изменения соотношения объемных и поверхностных атомов в веществе у наноматериалов образуются новые свойства. Среди наноструктурированных материалов наибольшее распространение получили материалы, основанные на углероде – фуллерены, которые представляют многоатомные молекулы углерода, а также нанотрубки, с атомами углерода расположенными в узлах.

Рисунок 1 – Классификация наноматериалов по структуре

Таким образом, наноматериалы демонстрируют целый ряд уникальных химических, физических и механических свойств. С точки зрения механических свойств наноматериалы обладают повышенной прочностью, износостойкостью и ударной вязкостью. На базе подобных веществ производятся солнечные батареи, запоминающие устройства, теплоизоляционные и пожаробезопасные материалы, а также материалы для энергосбережения. Наглядным примером «торжества нанотехнологий» является, созданная данным способом флешка.

Среди наиболее перспективных направлений в развитии нанотехнологий с точки зрения металлургической отрасли можно выделить следующие: спекание и компактирование нанопорошков в порошковой металлургии, обработка материалов посредством потоков высокоэнергетических частиц, кристаллизация наночастиц из аморфного состояния, а также пластичная деформация металла.

На рисунке 2 можно видеть электронно-микроскопические фотографии частиц на основе железа полученные при температуре до 400 ⁰С.

Рисунок 2 – Наночастицы на основе железа с нормальным (а) и логнормальным (б) распределением, соответственно, полученные при температурах до 400 ⁰С.

Крупнейшим инвестором в области нанотехнологий является ArcelorMittal, который сотрудничает преимущественно с западными компаниями. Между тем, недавно Лакшми Миталлом было заключено соглашение по проведению исследований с Московским институтом стали и сплавов.

В настоящее время российские компании принимают активное участие в финансировании нанотехнологий в металлургической отрасли, в частности «Русал» и «Северсталь».

Среди наиболее интересных проектов можно выделить разработки наноструктурированной стали Nanoflex для производства пуленепробиваемых жилетов и Bioline для изготовления медицинских инструментов, предлагаемой шведской фирмой Sandvik.

Эксперты в области металлургии отмечают, что внедрение в металлургическую промышленность новейших разработок позволит данному сегменту индустрии выполнять ведущие функции. По данным аналитических агентств в ближайшие десять лет металлургия будут стремительно развиваться, и оказывать существенное влияние на экономику всего мира.