Применение наноалмазов в машиностроении

（1）Композитное покрытие из наноалмазного порошка

Технология нанесения покрытия из наноалмазного порошкового композита является одной из ключевых в производстве продукции. Благодаря гальванизации поверхность изделия может быть покрыта защитным покрытием с контролируемым составом и структурой, что позволяет значительно повысить срок службы и надежность изделия. Например, на морских платформах, крупных карьерах, а также на оборудовании для металлургического и нефтехимического производства, которое эксплуатируется в относительно суровых условиях, можно использовать долговременную композитную защиту для предотвращения внутренней ржавчины в течение 5–10 лет эксплуатации. Срок службы режущих инструментов, пресс-форм, насосов, валов и клапанов, широко используемых в машиностроении, может быть увеличен в 3–5 раз после упрочнения поверхности.

Технология нанесения покрытия из наноалмазного порошкового композита является эффективным средством достижения высокого качества, высокой эффективности, экономии энергии, экономии материалов, защиты окружающей среды и повышения экономической выгоды. Статистика показывает, что около 1/3 энергии в машиностроении напрямую или косвенно потребляется из-за потерь, вызванных износом и истиранием, а 1/10 часть производимой в мире стали теряется из-за ржавчины и других видов коррозии. Убытки, наносимые национальной экономике коррозией и износом, ошеломляют. По данным исследований, проведенных в Великобритании, США и других странах, из-за коррозии теряется от 2% до 4% от общей стоимости продукции национальной экономики. Убытки, вызванные коррозией в моей стране, составляют не менее 40 миллиардов юаней в год. По данным опросов, около 400 предприятий машиностроительной промышленности в 27 провинциях и городах моей страны ежегодно теряют 11,6 млрд юаней из-за коррозии. Известно, что ежегодные потери от коррозии металлов в мире составляют около 150 миллиардов долларов США, а ежегодные потери в моей стране составляют 150 миллиардов юаней. Гальванопокрытие металлов является одним из способов решения этой технической проблемы.

В последние годы высокая твердость и коррозионная стойкость алмазного порошка, используемого в композитных покрытиях, привлекают все большее внимание. Однако, поскольку частицы обычного алмазного порошка имеют микронный или субмикронный размер и являются относительно крупными, полученная структура покрытия не может соответствовать требованиям, предъявляемым к прецизионным приборам, высокоглянцевым поверхностям, тонкой обработке и более высокой износостойкости. В связи с быстрым развитием технологии производства наноалмазных порошков, особенно появлением алмазного порошка размером 2–12 нм, ожидается, что использование наноалмазного порошка для формирования композитного покрытия восполнит этот недостаток. Технология нанесения покрытия щеткой — это новая технология модификации поверхности, разработанная в последние годы на основе технологии гальванопокрытия. Он может решить некоторые проблемы при ремонте механических деталей, которые трудно решить с помощью других технологий. Открытая исследовательская лаборатория твердой смазки Института химической физики Ланьчжоу Китайской академии наук и Кафедра материаловедения Университета Ланьчжоу объединились для изучения трибологических свойств композитного никелевого щеточного покрытия, содержащего наноалмазный порошок. Результаты показали, что покрытие обладает превосходными показателями снижения трения и износостойкости. В диапазоне испытаний снижение трения и износостойкость улучшаются с увеличением содержания черного порошка наноалмазов.

Приняв эффективные защитные меры, можно сократить потери от коррозии как минимум на 15–35%, а потери от износа — примерно на 1/3. Кроме того, поскольку поверхностное покрытие очень тонкое, поверхностное покрытие и модификация с использованием очень небольшого количества материала часто могут значительно улучшить коррозионную стойкость и износостойкость, что имеет очевидные экономические преимущества за счет экономии ценных материалов и снижения производственных затрат. Например, технология щеточного нанесения покрытия используется для выполнения обычных работ по техническому обслуживанию изношенных пресс-форм, коленчатых валов, направляющих, гильз цилиндров, корпусов, валов, гнезд подшипников, зубьев ковшей, гильз и других деталей, а также деталей гусеничной техники, что дает большие экономические выгоды.

После изучения трибологических свойств композиционных хромовых покрытий на основе наноалмазного порошка было установлено, что добавление наноалмазного порошка в композиционный слой покрытия позволяет сформировать равномерный и плотный композиционный гальванический слой. Добавление наноалмазного порошка позволяет измельчить зерна покрытия, играет роль в дисперсионном упрочнении и повышает твердость композитного хромового покрытия. В условиях масляной смазки добавление наноалмазного порошка позволяет значительно повысить износостойкость покрытия, причем наилучший эффект достигается при толщине покрытия 27 мкм. Износостойкость в 12 раз выше, чем у чистого хромирования.

Технология нанесения нанокомпозитного покрытия представляет собой технологию осаждения, при которой в раствор для нанесения покрытия добавляются твердые частицы нерастворимого наноалмазного порошка для образования однородной суспензии, что позволяет твердым частицам совместно осаждаться с ионами металлов для получения композитного покрытия. Наночастицы полностью диспергируются с помощью технологии суспензии, а полученное композитное покрытие из наноалмазного порошка обладает превосходными свойствами, такими как высокая износостойкость и снижение трения. Твердость композитного покрытия из наноалмазного порошка может достигать HV700~1100, а его износостойкость лучше, чем у Cr15, обычного никелевого покрытия и композитного покрытия из микронного алмазного порошка. Коэффициент трения составляет всего лишь одну треть от коэффициента трения обычных покрытий. Обладает уникальным эффектом самосмазывания, а срок его износостойкости может быть увеличен в 2-5 раз. Его можно широко использовать при обработке поверхности прецизионных износостойких деталей в различных отраслях промышленности, заменяя оригинальное хромирование, никелирование и другие процессы. Эффекты применения показаны в Таблице 1-Таблице 3.

Таблица 1 Результаты экспериментов с хромированными сверлами, содержащими наноалмазный порошок

Диаметр сверла/мм	Обработанный тип металла	Увеличить кратно (использовать эффект)
0. 8～1. 2	Стекловолоконная лента	2. 7～3. 3
1. 0～2. 0	Стекловолоконная лента	10. 0～20. 0
1. 5～2. 5	сталь	1. 5～1. 7
3. 5～10. 0	сталь	2. 0
6. 0～10. 0	Нержавеющая сталь	1. 8～3. 0
7. 2～8. 5	сталь	1. 5～1. 8
10. 0	Нержавеющая сталь	1. 9
20. 0	чугун	6. 0～8. 0

 Таблица 2 Экспериментальные результаты прессования хромо-алмазного порошкового покрытия

По сравнению с инструментами, которые азотированы, цементированы, хромированы или изготовлены из специальной стали, относительный срок службы больше.

 

Таблица 3. Инструменты для штамповки с хромированным алмазным порошковым покрытием  (матрица, матрица)

Экспериментальные результаты по штамповке листового металла

Процесс	Обработанные материалы	Увеличить кратно (использовать эффект)
Холодная экструзия	сталь Медь, Алюминий	1,6～1,8 2.0～3.0
Бланкирование	Стекловолоконная лента латунь	1.6～2.4 2.0～4.0
Формование растяжением	Латунированная сталь	2. 8～3. 0.1 4～1. 8