Информационный бюллетень №5 (февраль, 2010)
Скачать 0.97 Mb.
|
Поздравляем Дмитрия Евгеньевича с успешной защитой! 3.СТАТЬИ Создание инновационных технологий на основе явления структурной наследственности в цветных сплавах Никитин В.И., Никитин К.В. В качестве наиболее важных конструкционных материалов в различных областях промышленности занимают цветные сплавы, и прежде всего, на основе алюминия и магния. Интерес конструкторов, технологов и промышленников к применению таких сплавов общеизвестен и объясним: огромные запасы Al и Mg в земной коре (около 11%, что в 2 раза больше, чем Fe); по плотности Al и Mg легче Fe в 2,9 и 4,5 раза соответственно; легкие сплавы обладают достаточными механическими( в особенности, пластическими), технологическими (хорошо льются, деформируются) и эксплуатационными характеристиками (например, высокие значения удельной прочности); сплавы сравнительно просто и полно рециклируются с минимальными потерями в сравнении, например, со сталями. В мире идет непрерывная и напряженная работа по пониманию совокупности процессов, происходящих в металлических материалах, и созданию инновационных научных достижений (технологий) во всех областях жизненного пространства человека. Многие впечатляющие результаты получены в биологии и генетике, информационных и компьютерных технологиях. Учитывая огромную роль в человеческом обществе металлургического и литейного производств, являющихся глобальной базовой основой любой отрасли промышленности, следует как можно быстрее переходить на инновационный путь их развития. На эту тему в различных научных изданиях, на конференциях и съездах известно достаточно много высказываний и предложений. Однако, каких-либо кардинальных изменений, например в металлургических и литейных технологиях, к сожалению, не происходит. Считается, что инновации – это внедрение научных достижений в промышленном производстве, в результате чего происходит переход на иной (материальный, качественный, ментальный) уровень. Другими словами, инновации – это многоэтапный процесс, включающий получение новых знаний, разработку новых технологий и, как конечный результат, создание нового продукта более высокого потребительского качества и конкурентоспособного на рынке. Под инновацией подразумевается и внедрение новых форм частно-государственного хозяйствования и новых форм производственных отношений. Инновации могут быть революционными («взрывными») и эволюционными. При этом крайне важна инновационная экономика, в которой наука является неотъемлемой частью промышленного производства. «В постиндустриальном мире доля НИОКР в конечном продукте составляет не менее 70%». Другим фундаментальным представлением в различных науках является все то, что в XXI веке стали называть наноструктурами, наноматериалами, нанотехнологиями, наномодифицированием. Нет необходимости комментировать научные труды на эту тему. Порядок известных работ по данному направлению исчисляется уже сотнями. Глобальным выводом, очевидно, является то, что наноматериалы являются «ключом технического прогресса в области высоких технологий XXI века» [1]. Прогнозируется, что использование наноматериалов позволит в кратчайшее время перейти к созданию интеллектуальных материалов и конструкций, способных реагировать на изменение условий эксплуатации (например, сплавы, обладающие эффектом памяти формы) [2,3]. Химики делают еще более серьезный прогноз: «нанохимия и нанотехнология займут в будущем такое же центральное место, как и химия живого» [4]. При этом наследственность в химии рассматривается как одно из свойств фрактальных сред – сохранять память о прошедших структурных изменениях. Совокупность известной информации позволяет выявлять взаимосвязи таких разных, как нам кажется, фундаментальных отраслей знаний как физика, химия, механика, экология с биологическими системами - «мы можем почерпнуть из биологии много новых идей об их (наноустройстве) создании» [2]. Весьма краткий анализ данного направления показывает, что появление нанотехнологий и нанопродуктов не является случайным событием, а становится естественным продолжением многих научных исследований в различных отраслях. Во многих странах нанотехнологии становятся высокой формирующей отраслью экономики. Особое место среди многих достижений в науках о металлах занимает явление структурной (металлургической) наследственности (ЯСН), которое характеризуется как совокупность закономерностей структурной наследственности, объясняющих последовательность и механизм закладки, передачи и проявления структурной информации в системе «шихта – расплав – литое изделие – деталь...» [5]. Отличительной чертой данного определения ЯСН является системный подход к его рассмотрению. Под системностью в данном случае понимается всеобщее свойство кристаллической структуры металлов и генетической формы ее существования. В более широком смысле речь идет о генезисе металлических материалов в системе промышленного металлооборота [6]. В этой работе впервые предлагается расширить понятие наследственности, исходя из того, «что наследственные признаки изменяются или сохраняются независимо от вида и состояния материала» [7]. Под генезисом материалов следует понимать происхождение или возникновение в рудах (минералах) комплекса наследственных признаков или химико-структурной информации, приведших к определенному состоянию (виду) и свойствам металлов и сплавов. Такой подход к литейным технологиям может позволить разумно, осознанно и комплексно учитывать генетическое влияние взаимосвязанных процессов и наследственных признаков, происходящих в очень сложной системе перехода материалов от руд до литых деталей (а далее – до машин, рециклирования и возврата ломов в составы шихт). Исходя из сказанного, ЯСН, применимо к литейным технологиям, можно трактовать как природное свойство металлов и сплавов, обеспечивающее материальную взаимосвязь между структурными признаками в системе «твердое – жидкое – твердое». При изучении ЯСН следует также четко представлять, что литые сплавы – это достаточно сложный объект, представляющий многокомпонентную термодинамическую твердую или жидкую системы. Наиболее ярко сказанное относится к жидким сплавам (расплавам), для которых характерным является устойчивое метастабильное состояние весьма длительное время. Несмотря на то, что проблема наследственности в литейных и металлургических технологиях специалистам известна уже с XIX века [8], следует признать два положения: мы находимся еще в самом начале познания комплекса физико-химико-механических (и других) процессов в раскрытии механизма ЯСН; широкого практического применения в литейных технологиях ЯСН еще не находит. Существенный вклад в развитие многогранных представлений о механизмах наследственности и прикладных аспектах внесли последние монографии российских и украинских ученых, а также материалы VII международного научно-технического симпозиума «Наследственность в литейных процессах» (Самара, 2008 г.). В этих и других работах убедительно демонстрируются актуальные теоретические и практические аспекты ЯСН на примере многих сплавов. Одним из ключевых положений механизма ЯСН является одна из закономерностей - «унаследованные дисперсные частицы и кластеры в расплаве (элементы структуры расплава – ЭСР) являются генами структурной информации шихтового материала» [5]. Экспериментальные данные свидетельствуют, что размеры ЭСР существенно изменяются в зависимости от метода исследования, химической природы сплавов и природы расплава. Крайне важным выводом является то, что все известные методы фиксируют наследственное влияние структуры шихты и состояние расплава – размеры ЭСР, полученных из мелкокристаллической шихты на 18-55% меньше в сравнении с ЭСР из крупнокристаллической шихты. Существование в расплавах ЭСР на уровне наночастиц (10-100 нм) позволяет иначе подходить к разработке всех литейно-металлургических технологий, т.е. к созданию нанотехнологий и наноматериалов. Результаты наших исследований неоспоримо демонстрируют генетическую взаимосвязь структуры шихтовых металлов со структурой жидких и твердых сплавов и, естественно, со всеми свойствами полученных литых изделий. Отсюда следует, что прмененение мелкокристаллических, и тем более нанокристаллических, шихтовых металлов, а также эффективных физических воздействий на расплавы позволяет, прежде всего, диспергировать элементы структуры расплавов и, тем самым, приближать их размеры к критическим (оптимальным) размерам зародышей, увеличивать их число и уменьшать работу зародышеобразования. Такие глубокие воздействия на наноструктуру расплавов кардинально изменяют процесс кристаллизации и формирования строения литых изделий (сплавов, отливок, слитков, припоев и т.д.). Работы начала XXI века научных школ России,Беларуси, Украины и Таджикистана убедительно показывают, что основные закономерности ЯСН успешно развиваются теоретически и находят разнообразное практическое применение в самых различных сплавах и отраслях (черные и цветные сплавы, отливки, слитки, модификаторы, припои, псевдосплавы, наплавки). Показательно, что исследования такого рода проводят, помимо литейщиков, металловеды, обработчики давлением, физики и химики. В дальнейшем следует обратить особое внимание, помимо физических свойств обработки расплавов, на перспективные способы получения, например, модификаторов методами механического легирования и сверхбыстрой закалки. Высокоэнергетическая обработка смесей исходных порошков в шаровых мельницах позволяет получать большие количества нанокристаллических порошков различных материалов (сплавов, интерметаллидов, композитов, керамик). Применение инновационных технологий генной инженерии позволяет избирательно изменять структуру (строение) расплава. Например, определены «гены» прочности и пластичности в модифицирующих лигатурах типа Al+Ti. Помимо существенного прироста прочностных (на 15-20%) и пластических (в 2-6 раз) характеристик цветных сплавов, применение ТГИ позволяет решать многие «больные» проблемы литейных технологий: снижение брака в 2-2,5 раза, повышение выхода годного, снижение себестоимости литья и др. Следует особо отметить, что эффекты ТГИ по совокупности изменений свойств более значительны в сравнении с широко известными и новыми физическими способами обработки расплавов. Кроме того, их практическая реализация в большинстве случаев оказывается значительно доступнее и проще. При этом резервы ТГИ еще далеко не использованы. Наиболее высокие результаты получены в ТГИ для алюминиевых и магниевых сплавов [5]. Исследования, проведенные в СамГТУ и в других научных школах России, позволяют обозначить следующие перспективные приоритетные направления в области инновационных литейно-металлургических технологий: построение модели расплавов и теории структурной наследственности, расшифровка генов наследственности, разработка оптимальных технологий наномодифицирования, производство микро- и нанокристаллических модификаторов, разработка компьютерных технологий генной инженерии и создание новых наноматериалов. Для решения таких глобальных задач необходимы общие усилия научного сообщества, бизнеса и государства. Библиографический список
Тр. VII сессии «Проблемы и достижения физико-химической и инженерной науки в области наноматериалов.» - Т.1. М.: Минпромнауки и технологии РФ, 2002. С. 14-25.
кой природе // Металлургия машиностроения, 2002. С. 18-22.
Явление наследственности в литых сплавах – основа инновационных литейных технологий1 В.И. Никитин (СамГТУ, г. Самара) На проходивших ранее съездах, начиная с 1993 года (I съезд в г. Санкт-Петербурге), мы много говорили о перспективах отечественного литейного производства. Учитывая кризисное состояние экономики России, и в первую очередь металлургии и машиностроительной отрасли, мы должны задавать себе простой вопрос – что же мы имеем сегодня? Приведу несколько живых примеров. Россия в мире занимает второе место по производству первичного алюминия, а потребляет около 5,7 кг на человека (в развитых странах – более 30 кг на человека); свертывается производство магния в Соликамске (чушковый магний уже покупают в Китае!) и титана в Березниках. Эти легкие металлы и сплавы – самые перспективные в мире! В 2008 году объем литья из цветных сплавов снизился до уровня 2005 г. В связи с состоявшимся кризисом представляется актуальным посмотреть на реальную ситуацию по состоянию и перспективам нашей отрасли. Настоящее время является веком информации. Все с большим интересом получают и впитывают информацию по двум глобальным направлениям деятельности человеческого общества XXI века: инновационные технологии и нанотехнологии. Акцентируем внимание на известных определениях этих терминов. 1. Инновации – это внедрение научных достижений, в результате чего происходит переход на качественно иной (высокий!) уровень. Это многоэтапный процесс, включающий получение новых знаний, разработку новых технологий, создание нового продукта. Это внедрение новых форм хозяйствования и производственных отношений. При этом наука - неотъемлемая часть инновационного производства. НИОКР в современном продукте должны составлять не менее 70%. Известный академик Дынкин А. (директор института мировой экономики и международных отношений) выделяет 4 стратегии инновационного роста: тотальное лидерство по всем направлениям (США); массированное заимствование технологий (Япония, Ю. Корея, Китай); локализация инноваций (Норвегия, Саудовская Аравия); двойные инновации – в военном и гражданском секторах. Россия находится недалеко от группы инновационно отставших стран. Причина в том, что в России до сих пор нет инновационной стратегии развития экономики. 2. Нанотехнологии и наноматериалы. Считается, что нанотехнологии должны быть ключом технического прогресса в области высоких технологий XXI века. Использование наноматериалов позволит перейти к созданию «интеллектуальных» материалов и конструкций. Нанохимия и нанотехнологии займут такое же центральное место, как и химия (и генетика) живого. Применимо к литейным процессам существование в расплавах элементов структуры (гены наследственности), имеющих наномасштабы (от 1 до 80 – 100 нм), позволяет кардинально изменять литейно-металлургические технологии. Следует согласиться с утверждением, что появление нанотехнологий и нанопродуктов не является случайным событием в мире. Это вполне естественное продолжение многих научных работ в различных отраслях, в т.ч. и литейно-металлургической. Однако, при этом не следует впадать в крайность. Иначе можно дойти, по образному выражению проф. Косникова Г.А., до наноистерии. Нам следует, задать непростые (а по сути – простые!) вопросы и дать на них ответы без прикрас: Что творится с литейными технологиями и литыми изделиями? На каком уровне они находятся? Что же нам предстоит делать? Относительно роли науки и технологий известны высказывания крупных российских деятелей: «Не может страна, которая на что-то претендует, не иметь своей промышленности, высоких технологий» (лауреат Нобелевской премии Алферов Ж.И.); «У нашей страны вообще нет будущего, если наука и образование не станут нашими национальными приоритетами» (патриарх России Кирилл). Нет необходимости комментировать эти понятные мысли. Однако Россия на рынке наукоемкой продукции сегодня уступает даже крошечному Тайваню. Кризис еще ярче обозначил инновационную пропасть в нашей отрасли. Весьма характерным является недавнее публичное высказывание алюминиевого олигарха Дерипаски О. Журналисты задали ему вопрос: «Нужны ли отечественному машиностроению сейчас новые технологии?» Ответ: «Не технологии надо менять – мозги». Это ответ руководителя крупнейшей мировой компании (РУСАЛ), которая экспортировала многие годы до 80 – 90% только сырье в виде первичного алюминия. И только сегодня компания обратила внимание на внутренний рынок. Аналогичная картина и по другим цветным металлам. Однако мысль относительно «мозгов» - крайне актуальная! Многим в России надо менять «мозги» в отношении к науке, образованию, промышленности. Почему складывается такое положение? – Причин много. Одна из глобальных – нет никакой связи (координации) между наукой, экономикой, производством и государством. В каком состоянии находится литейная наука? – Она полностью разрушена. Остались только островки на некоторых литейных кафедрах в университетах. Но в настоящее время и там идет дальнейшее сокращение и укрупнение оставшихся кафедр, продолжается сокращение приема абитуриентов на литейные специальности. Где и кто является потенциальными инвесторами? Где и кто те люди, которые должны быть ответственными за будущее современных металлургии и машиностроения? Судя по участникам съезда – их нет. Считаю, что на съездах должны быть обязательно руководители крупных предприятий и представители от власти. Съезд должен принимать важные решения, а не заслушивать рекламу зарубежных фирм. К числу наиболее острых технических проблем в нашей отрасли, на мой взгляд, следует отнести: излишне широкое использование серых чугунов и низкосортных сталей; крайне малая доля легких сплавов (по зарубежным данным за 2007 г. в России – 11,8%, в Японии – 22,4%); широкое применение устаревших способов литья и получение толстостенных и утяжеленных отливок (низкие ТВГ и КИМ); морально устаревшие ГОСТы, ОСТы и другие нормативные материалы на сплавы и получение литых изделий с заниженными свойствами; низкая производительность на одного работающего (~22 т в год против 70 т/год в развитых странах); применение физически и морально устаревшего оборудования; крайне мало молодых специалистов с современными «мозгами». Можно и еще обозначать проблемы. Это говорит о том, что в нашей отрасли приближается их критическая масса. Указанные проблемы имеют место и на редких «флагманах» литейного производства – автозаводах (АвтоВАЗ, ГАЗ, КАМАЗ). За последние два года в их литейных цехах практически ничего не изменилось. Однако, в связи с кризисом, например, на АвтоВАЗе активно начинают обсуждаться вопросы корректировки марочных составов алюминиевых сплавов и увеличения доли вторичных металлов в составе шихт. Одним из положительных моментов в Самарском регионе является создание в 2004 году Центра литейных технологий СамГТУ. О нем достаточно много писали и многие видели его (рис. 1). Высокая оснащенность ЦЛТ позволяет выполнять разнообразные научно-технические работы: 1. Получение и поставки опытных партий микрокристаллических модификаторов. 2. Развитие технологий генной инженерии в сплавах. 3. Получение и поставки мелкокристаллических припоев. 4. Повышение деформируемости заэвтектических силуминов. 5. Применение физических способов обработки жидких сплавов (магнито-импульсная, плазменная, акустическая). 6. Применение специальных способов кристаллизации легирующих и модифицирующих лигатур. 7. Комплексная переработка отходов электротехнических изделий и получение продукции более высокого передела (лигатуры, сплавы, раскислители, припои и др.). 8  . Комплексная переработка солевых и других алюминиевых шлаков и получение продукции нового передела (сплавы, раскислители, катализаторы и краски, фасонные огнеупорные изделия и др.). В качестве примера продемонстрируем влияние аморфного модификатора на структуру слитков Ø30 мм из заэвтектического силумина Al+20%Si: Средний размер кристаллов Siперв., мкм Без обработки – 141,4 Добавка аморфной лигатуры – 23,7. Эффект измельчения Siперв. – шестикратный. При этом электропроводность как структурно-чувствительная характеристика сплавов после модифицирования по высоте слитка (Н = 150 мм) имела повышенное и практически одинаковые значения. Применение технологий генной инженерии (высокие перегревы расплавов, микрокристаллические шихтовые металлы и др.) позволило повысить, например, относительное удлинение сплава Al+20%Si с 1,5 до 9,8% (в 6,5 раз!)2. Весьма характерно изменение микроструктуры силумина в зависимости от технологии приготовления (рис. 2). Показана возможность образования наноструктуры (Siэвт) при обычных условиях литья в кокиль (рис. 2, в). Следовательно, в строении литейных сплавах возможно наличие определенного объема наноструктур. И   спытания новых технологий ранее были проведены на 4-х группах литейных алюминиевых и многих деформируемых сплавах (рис. 3) в литом и термообработанном состояниях. Полученные эффекты - повышение σв на 20%; δ – в 2 – 6 раз. ТГИ позволяют решать и другие «больные» проблемы: снизить металлургический брак (в 2 – 2,5 раза), повысить выход годного, шире применять вторичные сплавы, снизить себестоимость литья и др. Следует подчеркнуть – резервы ТГИ еще далеко не исчерпаны! Такие технологии, по-нашему мнению, следует относить к инновационным с элементами нанотехнологий. Анализ ситуации показывает, что в России нет дефицита в идеях и научных разработках в области литейных технологий. Это подтверждают многие материалы трудов съездов литейщиков России. Проблема в другом – настоящая наука и высокие технологии в тягость нашему обществу и промышленности. Почему? – Заставляют всех работать в напряжении… А многие разленились! Правительству проще «вбухать» деньги налогоплательщиков, например, в банки, в автопром. А результат? – Технологии-то не меняются 20 – 30 лет, например, на АвтоВАЗе, на знаменитом самарском «Прогрессе». Слово «инновации» при этом звучит как молитва, как заклинание, но пока никаких изменений… Представляется целесообразным рассмотреть и принять ряд организационно-технических предложений и мероприятий на разных уровнях. I. На региональном уровне. Всячески сохранять и развивать литейные кафедры: создавать Центры литейных технологий, вести подготовку современных специалистов, выполнять научные исследования. Осуществлять контакты с министерствами промышленности и экологии. Формировать региональные и межрегиональные научно-технические программы. Проводить технологический аудит на предприятиях. Осуществлять реальную деятельность отделений РАЛ. II. На федеральном уровне. Следует изменить содержание работы РАЛ: должны быть контакты с другими отраслевыми ассоциациями (с металлургами, металловедами, сварщиками, ОМД); проводить анализ российских инновационных литейных технологий; инициировать пересмотр ГОСТов, например, на литейные сплавы; готовить проекты отраслевых и федеральных научно-технических программ. Создать комиссию по разработке антикризисных мероприятий (действий) в заготовительном производстве. Подготовить предложение о целесообразности проведения совещания в Минпроме РФ по заготовительному производству (кадры, наука, оборудование и др. вопросы). Необразованная Индия (всего 4,5% населения имеет высшее образование) производит программной продукции в 60 раз больше образованной России (60 – 70% имеют высшее образование!). Экспорт из Индии в 2010 г. высокоинновационных технологий ожидается до ¼ того, что Россия получает от продажи нефти и газа. Похоже, прав олигарх – надо всем нам менять мозги! |
Похожие:
 | Информационный бюллетень красноярский край: местное самоуправление №3 (91) (февраль 2013 года Начался прием документов на краевой конкурс «Самое благоустроенное муниципальное образование» |  | Бюллетень новых поступлений в научно-информационный библиотечный... Экономическое положение. Экономическая политика. Управление и планирование в экономике. Производство. Услуги. Цены 25 |
| Бюллетень новых поступлений за февраль 2004 года В настоящий «Бюллетень» включены книги и диссертации, поступившие во все отделы Научной библиотеки в феврале 2004 года. «Бюллетень»... | | Информационный бюллетень выпуск 8-9 (94) Красноярск 2012 информационный... «По делу о проверке конституционности положений части первой статьи 125 и части первой статьи 152 Уголовно-процессуального кодекса... |
| Информационный бюллетень 22 ноября 2010 года Главы правительств России, Белоруссии и Казахстана провели совместную пресс-конференцию | | Информационный бюллетень для библиотек самарской области самара,... Библиосфера: информационный бюллетень для библиотек Самарской области. Вып. №12 / гбук «соунб»; отв за выпуск Н. В. Литягина, сост.... |
| Информационный бюллетень для библиотек самарской области самара,... Библиосфера: информационный бюллетень для библиотек Самарской области. Вып. №12 / гбук «соунб»; отв за выпуск Н. В. Литягина, сост.... | | Информационный бюллетень 21 июня 2010 года Поездка Президента России Д. А. Медведева в Санкт-Петербург. Петербургский международный экономический форум. Вручение премии «Глобальная... |
| Информационный бюллетень 20 сентября 2010 года Президенты России и Украины приняли участие в этапе автопробега Санкт-Петербург – Киев | | Информационный бюллетень №8. (конкурсы, гранты, конференции) Май 2006 Содержание: I. «Горящие» Центрально-черноземный региональный информационный центр по научно-технологическому сотрудничеству с ес |
| Информационный бюллетень №15 (конкурсы, гранты, конференции) Ноябрь 2006 Содержание: «Горящие» Центрально-черноземный региональный информационный центр научно-технологического сотрудничества с ес | | Информационный бюллетень №7. (конкурсы, гранты, конференции) Апрель... Центрально-черноземный региональный информационный центр по научно-технологическому сотрудничеству с ес |
| Информационный бюллетень №13. (конкурсы, гранты, конференции) Сентябрь... Центрально-черноземный региональный информационный центр по научно-технологическому сотрудничеству с ес | | Информационный бюллетень №10. (конкурсы, гранты, конференции) Июнь... Центрально-черноземный региональный информационный центр по научно-технологическому сотрудничеству с ес |
| Информационный бюллетень №10 июль 2010 г ... | | Бюллетень новых поступлений в читальный зал учебного корпуса №2 февраль март 2013 Пермь 2013 В «Бюллетень» включены статьи из периодических изданий по библиотечному делу и информатике, поступившие в читальный зал 2–ого учебного... |
