Металлорежущий инструмент с наноструктурированным покрытием. Создание производства монолитного твердосплавного металлорежущего инструмента

В Рыбинске (Ярославская область) идёт строительство  нового завода, который будет производить  инструмент для обработки деталей  авиадвигателей и металлов на предприятиях машиностроительных отраслей.

Цель  проекта

Создание  промышленного производства монолитного  твердосплавного металлорежущего  инструмента с многослойным наноструктурированным  покрытием, предназначенного для производства турбинных лопаток авиационных  двигателей на ОАО «НПО «Сатурн», а  также для продажи как на другие авиастроительные, так и прочие машиностроительные предприятия (энергетические, автомобильные, судостроительные).

Предприятие планирует выпускать до 850 тыс. единиц инструмента в год. НПО «Сатурн» обеспечит спрос на 30% годового выпуска. Остальная часть будет поставляться российским производителям машиностроительного  комплекса. В планах — выход на международный рынок.

В рамках проекта  по созданию производства монолитного  твердосплавного металлорежущего  инструмента с наноструктурированным  покрытием создано ЗАО «Новые инструментальные решения». Основная продукция предприятия – твердосплавный инструмент для обработки деталей  авиадвигателей. 
 

Актуальность  проекта

Реализация  проекта позволяет:

• обеспечить предприятия машиностроительных отраслей концевым инструментом отечественного производства с жизненным циклом и возможностью повышения производительности обработки в 2-2,5 раза больше, чем у инструмента без покрытия или инструмента, приобретаемого за рубежом;
• снизить стоимость твердосплавного концевого инструмента, производимого в России по сравнению с зарубежным инструментом;
• обеспечить предприятия оборонного комплекса специальным инструментом по цене универсального.

Дополнительная  информация

Технологии

Наноструктурированные покрытия повышают износостойкость  инструмента, что позволяет производить  обработку металлов на более высоких  скоростях и увеличивают срок службы инструмента. Улучшение технических  характеристик (твердость, вязкость) инструмента  с нанопокрытиями приводит к существенному увеличению производительности труда и снижению себестоимости изготавливаемой продукции. Подобные покрытия позволяют перерабатывать и повторно использовать инструмент до 12 раз.

По сравнению  с инструментом без покрытия происходит увеличение объема снимаемого металла  в 2-2,5 раза, стойкость между переточками  и скорость резания возрастает в 1,5-2 раза. 
 
 

Разработки

Отправной точкой данного проекта стали работы, инициированные НПО «Сатурн» в 2007 году в рамках ФЦП «Исследования и  разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса  России на 2007-2012 годы» по лоту «Разработка  новых многофункциональных нанопокрытий и технологии их нанесения».

Заказчиком  выступало Федеральное агентство  по науке и инновациям (Роснаука). Победителем конкурса и разработчиком ключевой технологии стал РНЦ «Курчатовский институт». На финансирование проекта из бюджета выделялось 115 млн. рублей. Объем инвестиций в разработку, которые предоставляет НПО «Сатурн», составляет 268 млн. рублей.

На  международном форуме по нанотехнологиям

Наноструктурированные покрытия повышают износостойкость  инструмента, что позволяет производить  обработку металлов на более высоких  скоростях, и увеличивают срок службы инструмента 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Создание  серийного производства электрохимических  станков для прецизионного изготовления деталей из наноструктурированных  материалов и нанометрического структурирования поверхности

23 марта 2009 г. наблюдательный совет РОСНАНО  одобрил участие корпорации в  проекте по созданию серийного  производства электрохимических  станков для прецизионного изготовления  деталей из наноструктурированных  материалов и нанометрического  структурирования поверхности. 

Этапы реализации

Производственная  площадка расположится в Уфе. Согласно бизнес-плану, в первый год реализации проекта запланировано доведение  дизайна станков до мирового уровня, организация производственной площадки, обучение персонала и запуск серийного  производства. В период со второго  по шестой годы развития проекта предполагается вывод производства на полную мощность, что позволит в 2015 г. изготовить и  продать около 470 станков. Потенциальный  рынок оценивается в $200 млн.

Дополнительная  информация

Электрохимические станки предназначены для прецизионной нанометрической обработки практически всего спектра металлов, включая твердые сплавы и наноструктурированные металлы. Технология, используемая в станках, по таким параметрам, как точность обработки, производительность и стоимость эксплуатации, превосходит технологии ведущих мировых производителей.

В основу положена оригинальная технология импульсного  электролиза, созданная специалистами  «ТИТАН ЕСМ» (коллективом ученых из Уфимского государственного авиационного технического университета). Благодаря  разработанному в России программному обеспечению значительно расширяются  возможности обработки поверхностей. Станки могут быть использованы как  в производстве имплантатов и  хирургических инструментов, так  и для изготовления сложных деталей  из высокопрочных материалов, применяемых  в авиадвигателях или энергетических турбинах.

В настоящее  время в России практически отсутствует  производство станков подобного  класса (менее 0,1% объема мирового рынка  прецизионного станкостроения в 2008 г.)

Реализация  проекта позволит использовать передовые  разработки отечественной школы  электрохимии и внедрить современные  технологии обработки поверхностей в высокотехнологичных отраслях промышленности: микроэлектронике, точном приборостроении, аэрокосмической  технике, энергетике, медицине, автомобилестроении и других отраслях. 
 
 
 
 

Тонкопленочные  наноструктурированные покрытия

Во ВНИИ неорганических матералов им. А.А.Бочвара разработаны  базовые установки и технологии нанесения тонкопленочных (0,01-50 мкм) наноструктурированных покрытий с  использованием высокоскоростного  ионно-плазменного магнетронного  и вакуумно-дугового распыления.

Базовые установки и технологии

• Высокоскоростные ионно-плазменные магнетронные распылительные системы с высокой плотностью мощности разряда (40- 500 кВт/см2) и, соответственно, с высокими скоростями нанесения покрытий (от 10 до 150 мкм/ч).
• Мозаичные мишени, которые позволяют наносить любые многокомпонентные материалы и создавать новые материалы, композиты, сплавы, псевдосплавы, стали, трудно деформируемые, не смешивающиеся металлургическим путём.
• Многокатодные системы распыления с термическим и ионным ассистированием и в комплексе с вакуумно-дуговыми распылительными системами, ионными имплантаторами, которые позволяют наносить многослойные покрытия, в том числе наноструктурированные, на изделия с большой рабочей поверхностью.

Установки и технологии 
 
 

Области применения

• Нанесение покрытий на продукцию, где необходимо использование защитных функциональных и специальных покрытий толщиной от 5 до 150 мкм.
• Нанесение многокомпонентных, многослойных специальных покрытий, в том числе с аморфной и нанокристаллической структурой.
• Создание покрытий с универсальными свойствами на основе новых типов структур: многослойных, наноразмерных, из новых типов материалов.
• Получение ультрадисперсных порошков наноразмерных диапазонов из многокомпонентных материалов с одновременным капсулированием порошинок в оболочки из нанопокрытий.

Образцы готовой продукции с нанопокрытиями 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Нанокомпозитные износостойкие минеральные покрытия

Научно-производственное объединение «Геоэнергетика» разрабатывает нанокомпозитные износостойкие минеральные покрытия с заданными свойствами (антифрикционными, износостойкими, противозадирными).

Технология  формирования нанокомпозитных минеральные покрытий, предлагаемых НПО «Геоэнергетика» — это принципиально новый продукт на рынке износостойких покрытий.

Целью работы по нанесению покрытий является обеспечение  заданных свойств покрытия, минимизирование  адгезии между двумя трущимися  поверхностями с целью снижения коэффициента трения и исключения массопереноса (налипания) одной поверхности на другую при рабочих давлениях.

Сущность  выполняемой работы состоит в  использовании природных минералов  и формировании при помощи специальной  установки покрытий в виде нанослоев с заданными свойствами (антифрикционных, износостойких, противозадирных) на деталях пар трения.

Принцип формирования комбинированных минеральных покрытий состоит во внедрении нанокомпозитных минеральных материалов в кристаллическую решетку металлов.

При совокупности использования нанопорошков до 100 нанометров и воздействия ультразвукового инструмента формируется нанокомпозитная структура поверхности, имеющая упорядоченные по составу и размерности, от 20 до 40 нанометров, свойства, достигается необходимое изменение механических характеристик материала нанокомпозитного покрытия и основного материала детали. Формируется комбинированное минеральное покрытие с заданными триботехническими свойствами и значительным повышением коррозионной стойкости.

Предлагаемая  технология — комплексная технология формирования поверхностей пар трения любых механических систем, которые применяются в производстве новых изделий и при ремонтно-восстановительных работах. Она позволяет осуществить защиту от изнашивания детали эксплуатируемых механических систем различного назначения, повышает их ресурс, снижает энергопотребление за счет максимального устранения механических потерь в машинах и механизмах. При изготовлении новых видов техники обеспечиваются минимальные потери на трение и значительное повышение ресурса. Реализация проекта позволит создать покрытия для деталей машин и механизмов, обладающих улучшенными свойствами износостойкости, коррозионной стойкости, повышенными антифрикционными характеристиками.

Описание  продукта

Виды минеральных  покрытий:

• износостойкое комбинированное минеральное покрытие — выполняется на защитных втулках валов (рубашках) на водяной смазке с наличием абразивных частиц и на деталях, работающих в режиме сухого трения;
• антифрикционное покрытие — выполняется с целью снижения трения и создания противозадирных свойств на валах, штоках, втулках, зубчатых зацеплениях и других деталях, работающих в масле;
• антифрикционное покрытие с повышением коррозионной стойкости — выполняется с целью снижения трения и износа при работе пары трения в агрессивной среде (соляной туман, пар с сероводородом, щелочи и т. д.);
• износостойкие, антифрикционные, минеральные покрытия для титановых сплавов — выполняются с целью снижения трения и износа на рабочих поверхностях деталей пар трения из титана.

Маркетинг продукта

Под аналогами  можно рассматривать традиционные существующие технологии, такие как  хромирование, хромонитритизация, гальванические методы, которые являются достаточно энергозатратными, экологически вредными, технологически сложными и ограниченными в массо-габаритном диапазоне, не обеспечивают стабильности получения результатов.

Потребительские преимущества перед существующими аналогами заключаются в использовании экологически чистой технологии по сравнению с химико-термической (азотирование, хромонитридизация) и гальванической технологией, т. к. при использовании покрытий с минералами природного происхождения исключаются профзаболевания, характерные для гальванического производства (органов дыхания, кожных заболеваний и т. д.).

Технологические преимущества заключаются в повышении износостойкости, коррозионной стойкости, антифрикционных свойств и в снижении трудоемкости при формировании поверхностного слоя с заданными свойствами по сравнению с аналогами. Происходит сокращение технологического цикла. Так, при замене хромонитридизации и гальванического покрытия, технологический цикл сокращается в 2—3 раза.

Научные преимущества заключаются в использовании новейших достижений в области науки и техники, что подтверждает свидетельство на открытие и диплом № 323, регистрационный номер № 409 от 2 февр. 2007 г., г. Москва, выданный ВМА им. Адмирала Флота Советского Союза Н. Г. Кузнецова, г. Санкт-Петербург.

В течение 3-х  лет проводились активные маркетинговые  исследования, в ходе которых было выявлено, что аналогичного продукта на территории РФ нет, имеются лишь традиционные технологии.

В качестве покупателей покрытий можно выделить следующие группы:

• предприятия электроэнергетики (около 20%);
• машиностроительные предприятия (около 25%);
• предприятия муниципальной энергетики (водоканалы и теплосети) (около 10%);
• судостроительные и судоремонтные предприятия (около 20%);
• прочие отрасли (около 25%).

Предполагаемый  объем платежеспо собного рынка — территория РФ и СНГ. 

Производство  режущего инструмента из сверхтвердого  материала на основе микро- и нанопорошков кубического нитрида бора

В сентябре 2009 года наблюдательный совет РОСНАНО  одобрил участие Корпорации в  проекте по созданию крупносерийного  производства режущего инструмента  из сверхтвердого материала — нанопорошка кубического нитрида бора (второй по твердости материал после алмаза).

Цель  проекта

Создание  крупносерийного производства режущего инструмента из сверхтвердого материала — нанопорошка кубического нитрида бора.

Производство

В рамках проекта  будет создан полный производственный цикл — от синтеза нанопорошка кубического нитрида бора до изготовления из него режущего инструмента.

Повышенные  физические характеристики инструмента  из нанопорошка кубического нитрида бора (микротвердость, износо- и теплостойкость) приводят к существенно более высокой производительности инструмента. При этом затраты на обработку деталей инструментом могут снижаться на величину до 60%.

Продукция

Продукция проекта  будет поставляться как на внутренний, так и на международные рынки. Выпуск первой партии инструмента запланирован на третий квартал 2010 года.

Продукция будет  востребована для черновой и финишной обработки деталей в первую очередь  в таких отраслях как тяжелое  машиностроение, автомобилестроение, добывающая промышленность, строительство. 

Справка

Кубический  нитрид бора (КНБ)

Второй по твердости (после алмаза) синтетический  материал, получаемый при высоком  давлении и температуре. Исторически  КНБ был разработан для замены искусственного алмаза для обработки  твердых и сверхтвердых материалов, содержащих углерод (отбеленные чугуны, закаленные стали и др.).

Основная  область применения – чистовая и  получистовая обработка (точение, фрезерование, сверление и т.д.).

Производством инструмента из кубического нитрида  бора занимаются только ведущие мировые  производители (Sandvik, Kennametal, Iscar). Среди них только компания Sandvik (мировой лидер) имеет полный производственный цикл по производству инструмента из микронного порошка кубического нитрида бора. При этом в мире на сегодняшний день отсутствует промышленное производство инструмента из нанопорошка кубического нитрида бора.

Схема получения компактов для режущего инструмента из КНБ «Микробор»