Застосування наноструктурних матеріалів

Фотокаталітичні властивості нанокристалічного TiO₂ застосовуються в приладах для очищення повітря від органічних забруднень побутового і промислового походження. Принцип дії таких приладів полягає у фотокаталітичному окиснюванні органічних домішок на поверхні нанокристалічного TiO₂ під дією ультрафіолетового випромінювання.

Плівки і високопористі шари з TiO₂ і CdSe є перспективними для сонячних батарей і світлодіодів.

Ультрадисперсні порошки використовують для виготовлення багатошарових фільтрів тонкої очистки. Тонкість фільтрації для газових середовищ таких фільтрів може сягати 10 нм, а для рідких середовищ – 10…100 нм.

В останні роки завдяки вивченню властивостей наноматеріалів, отриманих контрольованою кристалізацією з аморфного стану, японськими вченими був відкритий новий клас магнітном’яких матеріалів з більш високим рівнем статичних і динамічних магнітних властивостей в порівнянні з аналогічними за призначенням кристалічними та аморфними сплавами. Це сплави на основі Fe–Si–B з невеликими домішками Nb, Cu, Zr і деяких інших перехідних металів. Після гартування з розплаву ці сплави стають аморфними, а оптимальні параметри досягаються після часткової кристалізації при температурі 530…550 °С, коли виділяється впорядкована нанокристалічна фаза Fe–Si (18…20 %) з розміром частинок близько 10 нм. Об’ємна частка наночастинок в аморфній матриці становить 60…80 %. Ці сплави мають низьку коерцитивну силу (5…10 А/м) і високу початкову магнітну проникність, що забезпечує їх широке застосування в електротехніці як осердя трансформаторів, магнітних підсилювачів та імпульсних джерел живлення, а також у техніці магнітного запису. Це сприяє мініатюризації пристроїв і стабільній роботі устаткування в широкому діапазоні частот і температур.

Поширення набувають і нанокристалічні магнітнотверді матеріали на основі Fe–Nd–B і Fe–Sm–N, які отримують переважно методами механохімічного синтезу. Високі значення коерцитивної сили і магнітної енергії забезпечують їх ефективне застосування при виготовленні постійних магнітів невеликих розмірів, що важливо для мініатюризації в багатьох галузях техніки.

Магнітні властивості ультрадисперсних порошків використовують у феромагнітних рідинах, які застосовуються у вакуумних ущільнювачах, гасителях коливань та інших пристроях.

Поєднання високої електропровідності і міцності необхідне під час створення матеріалів для великих магнітних систем з високою напруженістю магнітного поля. Перспективними в цьому плані є дротові нанокомпозити типу Cu–Nb, технологія виготовлення яких полягає в сумісному волочінні мідних і ніобієвих прутків. У кінцевій структурі композита середній розмір ніобієвих волокон становить близько 100 нм, міцність на розтяг досягає 1,25 МПа, а електропровідність – близько 70 % від електропровідності чистої міді.

Провідні наноструктурні плівки TiN, TiB₂ та інші використовують як бар’єрні шари для запобігання дифузійному взаємопроникненню металевих компонентів у різних вузлах електронної техніки.

Уведення металевих наночастинок для зміни електропровідності і міцності широко застосовується в полімерному матеріалознавстві. Суттєве збільшення електропровідності полімерних матеріалів спостерігається при додаванні вугільних нанотрубок.

Термоелектричні наноматеріали, особливо шаруватого типу, є перспективними як для систем прямого перетворення сонячної енергії на електричну, так і для кріотехніки. Пористі наноструктурні матеріали є перспективними для ядерної техніки.

КОНСТРУКЦІЙНІ СТАЛІ

10.1. Сталі підвищеної та високої оброблюваності різанням (автоматні сталі)

До цієї групи конструкційних сталей належать сталі, які обробляються на швидкохідних автоматах із суттєво підвищеним зняттям стружки. Різальний інструмент для обробки цих сталей відрізняється стійкістю при підвищених швидкостях різання, а готові деталі мають дуже чисту і гладку поверхню.

Для підвищення оброблюваності різанням застосовують вуглецеві сталі зі збільшеною концентрацією сірки (0,08…0,30 %) та фосфору (0,06 %). У цих сталях сірка знаходиться у вигляді сульфідів марганцю, витягнутих уздовж напряму прокатки, які сприяють утворенню короткої та ламкої стружки, а також зменшують тертя між стружкою та інструментом. У зв’язку з присутністю сульфіду марганцю, що діє як мастило, фосфор підвищує твердість, міцність і поріг холодноламкості та сприяє утворенню ламкої стружки й отриманню гладкої блискучої поверхні при різанні.

У табл. 10.1 відповідно до ГОСТ 1414–75 наведений хімічний склад деяких автоматних сталей.

Таблиця 10.1. Хімічний склад автоматних сталей

* Основа – залізо.

Автоматні сталі маркують буквою А (автоматна) з цифрами за нею, які показують середню концентрацію вуглецю в сотих частках відсотка: A11, А12, А20, А30, А35. Із сталі А12 на швидкохідних автоматах виготовляють гвинти, болти, гайки і різні дрібні деталі складної конфігурації, а з А20, А30, А40Г – деталі, що працюють в умовах підвищених напружень. Ці сталі випускають без термічної обробки, у вигляді високовідпущених (відпалених) загартованих профілів, що калібруються.

Добре обробляються точінням на верстатах-автоматах сталі зі структурою пластинчастого перліту, при цьому стружка легко відділяється. Механічні властивості гарячекатаної сталі такі: s_в = 500…750 МПа; d = 22…14 %. Холоднотягнуті сталі (прутки діаметром до 20 мм) мають більш високі значення цих показників: s_в = 600…800 МПа і d = 7…6 %. Сталі з підвищеною концентрацією сірки відзначаються великою анізотропією властивостей, схильні до крихкого руйнування і мають знижену границю витривалості. Для усунення ліквації сірки та запобігання червоноламкості застосовують дифузійний відпал автоматної сталі при температурі 1100…1150 °С.

Поліпшення оброблюваності сталі досягається також шляхом мікролегування сталі Pb, Ca, Se, Те, які утворюють у її структурі включення металевих та неметалевих сполук. Ці включення створюють в епіцентрі різання внутрішнє мастило – найтонший шар, який перешкоджає з'єднанню матеріалу інструмента з матеріалом оброблюваної деталі і полегшує відділення стружки.

Свинець покращує оброблюваність сталі при знижених і середніх швидкостях різання та якість оброблюваної поверхні. Легування сталі 0,15…0,30 % Рb підвищує швидкість різання на 20…35 %, а при збереженні постійної швидкості різання збільшує стійкість інструмента в 2…7 разів. Автоматні сталі, що містять свинець, покращені і цементовані (нітроцементовані), застосовують в автомобільній промисловості для деталей, що виготовляються з прутків на металорізальних і холодновисаджувальних автоматах. Так, сталі АС38Г2, АС30ХМ, АС38ХГМ і АС40ХТНМ після гартування і високого відпуску при 550…620 °С мають s_в = 900…1000 МПа, s_0,2 = 750…850 МПа і d = 11…12 %. Їх застосовують для виготовлення черв'яка рульового керування, вала масляного насоса, кільця упорного підшипника та ін. Сталі АС12ХН, АС14ХГН, АС19ХГН призначені для виготовлення осей сателітів диференціала, фланця масляного насоса, тяги, гайок, муфт, деталей типу проміжної шестірні заднього ходу та ін. Слід мати на увазі, що свинець знижує s_–1 високоміцних сталей (s_в > 1200 МПа) і сприяє їх крихкому руйнуванню при нагріванні до 200…500 °С. Для запобігання червоноламкості в сталях збільшують кількість марганцю. Сталі, що містять свинець, поставляють після поліпшення або ізотермічного відпалу.

Сталі для деталей, що піддаються складній механічній обробці (колінчасті вали, шатуни та ін.), а також нержавіючі сталі для поліпшення їх оброблюваності різанням мають підвищену концентрацію сірки (0,06…0,10 %); крім того, їх легують селеном (0,04…0,10 %); сталі А35Е, А40ХЕ (Е–селен) застосовують після нормалізації. У сталях, що містять селен, зменшується схильність до крихкого руйнування, внаслідок чого збільшується швидкість різання в 1,5…1,8 разу, а стійкість інструмента – більш ніж у два рази. Підвищення оброблюваності відбувається завдяки утворенню селенідів і сульфоселенідів, які покривають тверді оксидні включення і тим самим запобігають їх впливу на тертя. Крім того, селеніди зберігають глобулярну форму після обробки тиском, тому практично не викликають анізотропії властивостей та не погіршують корозійної стійкості сталі, як сірка.

При модифікуванні автоматної сталі кальцієм (уводиться в рідку сталь у вигляді силікокальцію) відбувається глобулізація сульфідних включень, що позитивно впливає на оброблюваність, але не так активно, як сірка і фосфор. Сталі, що містять кальцій (АЦ – автоматна, містить кальцій) у кількості 0,002…0,008 %, дешеві і нетоксичні, тому рекомендовані до широкого використання (АЦ20, АЦ30, АЦ40Х, АЦ40Г, АЦ30ХМ, АЦ20ХН3 та ін.).