НОВІТНІ ТЕХНОЛОГІЇ ОБРОБКИ МЕТАЛІВ: ПЕРЕВАГИ ТА ШЛЯХИ ЗАСТОСУВАННЯ
Перехід до використання металів відіграв
вирішальну роль в історії людської цивілізації, оскільки поклав початок
бурхливому технічному прогресу, який триває й досі. Упродовж багатьох століть
практичне застосування цих матеріалів не потребувало фундаментальних
теоретичних досліджень, однак виконання інноваційних завдань сучасності було б
неможливим без поглибленого вивчення металів. Внаслідок цього на межі
металознавства й металургії, з одного боку, та фізики, з іншого, виникла нова
перспективна галузь – фізика металів. Про свої теоретичні та практичні здобутки
у вказаному напрямі вчені Інституту металофізики (ІМФ) імені Г.В. Курдюмова НАН
України розповіли передачі «Наука: пошуки і знахідки» телеканалу УТР.
Спершу інститут займався вивченням
елементарних металів (сталей, мідних сплавів тощо), однак із часом фахівці
установи значно розширили об’єкт наукових досліджень, адже нині під металами розуміють будь-які речовини, які з фізичної точки
зору можна описати як об’єкти із так званим металічним типом хімічного зв’язку.
Останній характеризується поєднанням кристалічної ґратки іонів металу та
вільних електронів, а це, в свою чергу, і зумовлює особливі властивості даних
матеріалів, завдяки яким вони отримали надзвичайно широке застосування.
Одним із найбільш важливих і продуктивних
напрямів діяльності інституту є розроблення технологій отримання матеріалів із заданими властивостями, зокрема інварних сплавів (серед яких основним і
стандартним вважається сплав на основі системи «залізо – нікель», причому
частка нікелю в речовині має складати 36%), тобто металевих сплавів із аномально низьким коефіцієнтом термічного
(теплового) розширення. Це означає, що вироби, виготовлені з інварних
сплавів (наприклад, залізничні рейки), майже
не змінюють своїх геометричних розмірів. Таким чином, використання інварних
сплавів забезпечує надійність
конструкцій та їх елементів у найрізноманітніших галузях, а саме для
виготовлення біметалевих пластин, вимірювальних пристроїв, радіочастотних
резонаторів, а також у лазерній оптиці.
Проте варто зазначити, що застосування стандартних інварних сплавів
як конструкційних матеріалів є обмеженим через їх недостатню міцність у
жорстких умовах механічного статичного або динамічного навантаження. Тому
перед науковцями ІМФ імені Г.В. Курдюмова НАН України постало завдання
поліпшення механічних властивостей інварних сплавів, з яким вони впоралися
завдяки новій технології – легуванню
сплаву елементами втілення (наприклад, вуглецем) у комбінації з елементами
заміщення та деформаційним диспергуванням структури. Отримані матеріали
продемонстрували значно менший вміст високовартісного
нікелю. Вкрай важливим результатом досліджень стало також отримання матеріалів з антиінварними
властивостями, тобто таких, які за умови підвищення температури, навпаки,
розширюються. З’ясуванням природи цього унікального явища фахівці інституту
збагатили й наукову теорію в галузі металознавства. На основі здійснених
дослідів було, до того ж, розроблено експресний
дилатометр – прилад для тестування металів на предмет їх здатності до
термічного розширення, а отже, встановлення їх належності до однієї з
категорій матеріалів – інварних, антиінварних або звичайних сплавів.
Властивості металів та металевих сплавів
змінюють і в інший спосіб – впливаючи на атомний або нанорівень шляхом термічної обробки: у спеціальних печах
матеріали нагрівають, а потім упродовж деякого часу витримують за певного температурного
режиму. Зазначена технологія отримала назву обробки металів в умовах, максимально наближених до рівноважних.
Але оскільки навіть такий метод не завжди давав змогу отримати матеріали із
необхідними властивостями, то український академік В.Н. Гриднєв (1908-1990) –
фахівець у галузі фізичного металознавства – після закінчення Другої світової
війни запропонував змінити рівноважні умови на нерівноважні, зокрема
застосувати швидке нагрівання. Такий
підхід було використано, зокрема, в обробці сталей, завдяки чому вдалося
виготовити високоміцний дріт для канатів
різного призначення та сталеві балки для кораблів.
Особливого
поширення технологія швидкого нагрівання набула нині у процесах обробки
титанових сплавів. Слід
зауважити, що титан сам по собі є
унікальним матеріалом, який має високу
питому міцність (тобто за однакових механічних характеристик є вдвічі
легшим за сталь), високу корозійну
стійкість (а отже придатний для тривалої експлуатації в агресивних
середовищах на кшталт морської води й розчинів кислот) та менший модуль пружності (і, як наслідок, менші габарити).
Зважаючи на вищеперелічені властивості, титан
доцільно використовувати в машинобудуванні
й – особливо – в авіакосмічній галузі,
а також як конструкційний матеріал для
газо- і нафтовидобувних платформ та всіх типів морських суден (включно з
підводними човнами). Біологічна
інертність цього матеріалу є підставою для створення на його основі імплантатів, вживлюваних у внутрішнє
середовище людського організму. Перспективним напрямом є також застосування
титану та його сплавів для потреб військової
галузі, а саме при виготовленні окремих
елементів броні військової техніки, що дає змогу майже вдвічі зменшити їх вагу, а відтак поліпшити маневреність та економічність (тобто скоротити витрати
пального), а також у бронежилетах.
Для спрощення й здешевлення процесу
виготовлення виробів із титанових сплавів українські науковці запропонували ще
одну технологію, яка передбачає отримання
титанових сплавів за допомогою порошкових сумішей та порівняно простих операцій
пресування і спікання замість вартісного високовакуумного плавлення зливку та
його багатостадійної обробки. Крім того, застосування згаданої технології
дає змогу отримувати поруваті матеріали,
зокрема фільтрувального призначення (придатні для використання в системах
очищення стічних вод).
Вчені інституту працюють і над вирішенням
іншої актуальної проблеми, яка в Україні та світі є постійним джерелом
матеріальних збитків і численних людських жертв – ідеться про викиди метану у
вугільних шахтах. Досліджуючи зразки вугілля на іонному мас-спектрометрі, наші науковці, зокрема, встановили
існування прямої кореляції між наявністю у вугіллі сполук заліза та розчиненою
в ньому ж кількістю метану, а також з’ясували, що метан у вугіллі утворюється
безперервно. На основі результатів численних експериментів Інститутом
фізики гірничих процесів НАН України було сконструйовано прилад для визначення наявності сполук заліза у вугільних пластах, що
стане у пригоді при прогнозуванні викидів метану. Фахівці ІМФ імені Г.В.
Курдюмова НАН України, у свою чергу, розробили технологію отримання метану з видобутого вугілля, яка передбачає
можливість подальшого використання цього вугілля, хоч і з дещо зниженою
теплотворною здатністю.
Результати
здійснюваних установою фундаментальних досліджень (на зразок побудови теорії
перерозподілу та впорядкування атомів у сплавах та впливу цих процесів на
фізичні властивості нових металічних матеріалів) знаходять широке застосування
в біології, археології, мікроелектроніці, медицині (передусім при розробленні
методик діагностування онкозахворювань на ранніх стадіях) та інших галузях.
Матеріали опублікували: Прес-служба НАН України