В упрощенном виде под нанотехнологией подразумевается «движение вниз к атому». В основе современной естественнонаучной картины мира лежит физическая модель, в которой вещество состоит из элементов: атомов, молекул, элементарных частиц и др. Размеры этих элементов различаются во много раз, но как правило при их описании используют величины не превышающие нанометра (это в миллион раз меньше миллиметра). Однако сама по себе миниатюризация техпроцесса еще не делает технологию – нанотехнологией. Под этим термином понимается «особая научно-техническая дисциплина, изучающая принципиально  иные способы взаимодействия с материей на атомном уровне, нежели те, что используются в макромире». Нанометр – это условный рубеж, за которым вещество может проявлять совершенно иные свойства, не характерные для него на макроуровне. Более того, многие синтезируемые наноматериалы  могут обладать качествами, отличными от качеств их традиционных химических макроаналогов.

В отраслях отечественного сельскохозяйственного производства и сельскохозяйственного машиностроения проблема применения новых материалов, с повышенными эксплуатационными характеристиками, в настоящее время стоит особенно остро. Большинство нагруженных деталей с.-х. машин эксплуатируются в тяжелых условиях и для сохранения в работоспособном состоянии должны иметь особый комплекс свойств: достаточный уровень прочности и износостойкости и в то же время высокие показатели пластичности и предела упругости. В других отраслях промышленности, во многих случаях такого комплекса физико-механических свойств обычно не требуется.

В то же время при эксплуатации в сельскохозяйственном производстве имеют место наиболее «чистые» процессы абразивного изнашивания. Особенно это характерно для условий работы деталей почвообрабатывающих, посевных, овощеуборочных, кормоуборочных, зерноуборочных и других видов сельхозмашин.  Здесь под относительной «чистотой» процесса подразумевается отсутствие или слабое влияние других факторов, сопутствующих абразивному изнашиванию, которые, в ряде случаев, имеют место при эксплуатации деталей различных видов машин и механизмов. Например, сверхвысокие ударные нагрузки, характерные для горнорудной промышленности или влияние коэффициента трения и других условий эксплуатации в масле, наличие эффекта «избирательного переноса»  в деталях двигателя и трансмиссии.

Поэтому, проблема повышения ресурса деталей при воздействии абразивных и умеренных ударных нагрузок в сельскохозяйственном производстве имеет наиболее четкую (в какой-то мере фундаментальную) научную основу. И нанотехнологии должны занять в решении этой проблемы важное место.

Применение низкокачественных устаревших материалов не позволяет выпускать новые и модернизируемые сельскохозяйственные машины, а также их составные элементы с требуемыми показателями технического уровня.

В сельскохозяйственном производстве это также приводит к необходимости выпуска и использованию большого количества запасных частей, повышенной трудоемкости обслуживания техники (вследствие частой замены запасных частей), удлинению сроков полевых работ, повышенному давлению на почву, увеличенному расходу топлива вследствие использования «энергоемких» рабочих органов. Нами вкладываются серьезные средства в решении проблемы получения биотоплива и в то же время от использования некачественных рабочих органов при проведении основных сельскохозяйственных операций мы теряем от 13 до 20 % топлива. В передовых странах эти проблемы, в основном, решены.

Отставание по данному направлению в нашей стране от ведущих зарубежных производителей с.-х. техники очень существенно.

В последние 5…10 лет рядом известных иностранных производителей сельхозтехники и запасных частей к ней (прежде всего это фирмы «Квернеланд» - Норвегия, «Вогель и Ноот» - Австрия, «Рабеверк» - Германия, «Лэнд корпорэйшен» - США, Великобритания и др.) разработаны новые технологии обработки материалов деталей с.-х. машин, которые позволяют существенно увеличить их рабочие и ресурсные характеристики. Хотя существо этих технологий держится в секрете [1], но по ряду косвенных признаков можно определить, что связаны они с некоторыми видами теплового воздействия на детали и (или) их покрытия, в частности на отдельные легирующие элементы или микроэлементы, которые при определенных условиях (вероятного изменения атомарного строения) проявляют совершенно иные свойства, не характерные для них (либо характерные в существенно меньшей степени) на макроуровне. В рекламной зарубежной литературе эти технологии называются «новыми и секретными», а также «сложными» [1], но по принятой у нас в стране в последнее время терминологии как по существу так и по форме их можно назвать «нанотехнологиями».

В качестве тепловых источников воздействия на материалы и сплавы в передовых индустриально развитых странах используются, главным образом, плазменный, индукционный и лазерный (возможно и некоторые другие) с определенными элементами «ноу-хау».

Посредством используемых за рубежом технологий и подобных им материалам основы деталей с.-х. машин и их упрочняющих покрытий передаются качества в той или иной мере отличные от качеств их традиционных макроаналогов. При этом могут развиться, казалось бы, противоположные свойства материалов (или их наноаналогов) в частности, твердость и пластичность.

Для основных видов рабочих органов и тяжелонагруженных деталей сельхозмашин именно показатели твердости и пластичности материалов из которых они изготавливаются и которыми упрочняются по существу являются определяющими с точки зрения характеристик их работоспособности и надежности.

Плазменная технология обработки материалов и нанесения покрытий с помощью сжатой дуги, использующая энергию электрически заряженных частиц (электронов, ионов) плазмообразующего газа, является одним из наиболее эффективных и перспективных тепловых способов воздействия на материалы на атомарном (и ниже) уровне.

Плазма – четвертое агрегатное состояние вещества (после твердого, жидкого и газообразного). Она представляет собой частично или полностью ионизированный газ, состоящий из нейтральных частиц, положительных и отрицательных зарядов с одинаковой концентрацией.  Плазма обладает электрической проводимостью, высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Физика плазмы – наука молодая. Термин «плазма», предложенный в 1926 г. И. Лэнгмюром прочно вошел в обиход исследователей и производственников самых различных областей науки и практики [2].

В сравнении с другими способами теплового воздействия на материалы плазменная дуга имеет более высокую проплавляющую способность, возможность наносить и обрабатывать практически все металлы и сплавы (как магнитные так и немагнитные, тугоплавкие и другие)  и более широкие возможности варьирования технологическими параметрами процесса. Отдельной важной особенностью плазменной технологии является большой температурный градиент как внутри плазменной дуги (струи) так и относительно воздействия на обрабатываемые материалы, который позволяет (с помощью концентрированного воздействия тепла и регулируемой высокой скорости охлаждения) синтезировать новые наносоединения.

Для выявления теоретической основы получения наноэффекта при использовании теплового (в частности – плазменного) воздействия на материалы необходимо сказать об определенной неоднозначности ряда теоретических положений  «физики твердых сплавов», особенно образованных сварочно-наплавочными методами. Ранее, начиная с 70-х годов прошлого столетия, специалисты в области физики твердых сплавов (главным образом во ВНИИТСе, ИЭС им. Е. О. Патона, ВНИИЭСО, институте Металлургии и др.) считали, что в процессе нанесения сплава, для получения у него максимальных физико-механических характеристик, необходимо сохранение (либо приближение к начальному) в нанесенном слое химического состава и структуры исходного материала. При этом, рекомендовалось как можно меньшее тепловое воздействие на исходный материал (сплав), объясняемое существенным выгоранием важных элементов. Этим фактом отчасти объясняется чрезмерное (по нашему мнению) увлечение процессами напыления (в отличии от наплавки).

В представленной статье не будем оспаривать данное известное положение, но, по-видимому, формообразование сплава в ходе его нанесения и тепловой обработки является достаточно сложным металлургическим процессом. Как показывают зарубежные исследования, наряду с негативным фактором выгорания отдельных элементов и микроэлементов при тепловом (в ряде случаев усиленном тепловом) воздействии может присутствовать, при определенных условиях, и позитивный фактор возникновения новых наносоединений, с повышенными характеристиками. По данному вопросу у нас есть практический опыт. В частности, при упрочнении нами плазменной дуговой наплавкой противорежущего бруса немецкого кормоуборочного комбайна «Ягуар» вольфрамовым самофлюсующимся сплавом было выявлено, что покрытие, нанесенное с повышенным на 20-30 % тепловым воздействием  (в основном за счет увеличения силы тока и некоторого увеличения напряжения) в сравнении с общепринятым тепловым воздействием для данного типа сплавов имеет лучшую визуальную плотность и большую (до 1,5 раз) износостойкость.

Исходя из зарубежного опыта и наших исследований применение нано-плазменной технологии позволяет до 1,5-1,7 раз повысить износостойкость твердых сплавов в сравнении с другими способами их нанесения. Важным, при этом, является структура легирования сплавов, которая должна способствовать синтезированию новых наноэлементов повышенной прочности, износостойкости и связности (боридов, карбонитридов и мн. др). Для этого в сплавах обязательно должны присутствовать бор и титан. По нашим данным эти два элемента можно условно назвать «нанопроводниками». Наиболее  перспективным с точки зрения получения наноэффекта является способ нанесения плазменных покрытий в среде сжатого воздуха – экономичный и имеющий увеличенный температурный градиент. При этом способе также важным является наличие в сплаве добавок алюминия.

Нужно отметить, что существуют определенные отличия нано-плазменных технологий от известных (обычных) плазменных технологических процессов. Суть этих отличий заключается:

- в легировании и микролегировании сплавов новыми элементами;

- в использовании технологических режимов с повышенным температурным градиентом.

Основной задачей нано-плазменных технологий в сельскохозяйственном производстве является создание конкурентоспособных рабочих органов и других тяжелонагруженных и быстроизнашиваемых деталей с.-х. машин. И уже с помощью изделий, имеющих повышенный технический уровень, и новых конструктивных разработок (в которых должны использоваться изделия с новыми свойствами) можно решать насущные проблемы механизации сельского хозяйства и внедрения новых земледельческих технологий.

Сидоров Сергей Алексеевич

Доктор технических наук

Руководитель отдела