CC BY
75Материаловедение
УДК. 621.762+621.793+666.7 А. П. Амосов
РАЗВИТИЕ ПОРОШКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ СВС В САМАРЕ
В связи с 40-летием выдающегося российского изобретения - порошковой технологии синтеза разнообразных материаюв в режиме горения - в настоящей статье приводится обзор вклада ученых, производственников и студентов вузов и предприятий города Самары в становление и развитие этой технологии.
Введение
В 2007 г. исполняется 40 лет замечательному технологическому процессу самораспроет-раняющегося высокотемпературного синтеза (СВС) твердых химических соединений (карбидов, боридов, нитридов, оксидов и др.), изобретенному российскими учеными академиком
А.Г. Мержановым и профессорами И.П. Боровинской и В.М. Шкиро в академгородке (Черноголовка) под Москвой при изучении горения смесей порошков металлов и неметаллов [1,2].
Главный принцип - «не греть порошки, а сжигать их», отличающий технологию СВС от технологии традиционной порошковой металлургии, обеспечил в сравнении с ней большие преимущества и оказался очень плодотворным. В технологии СВС отсутствуют затраты электроэнергии для нагрева до высоких температур (работает тепло, выделяемое реакцией горения), используется простое малогабаритное оборудование, реализуются большие скорости процесса и др. К настоящему времени создано около 100 конкретных разновидностей технологии СВС, позволивших синтезировать свыше тысячи веществ и материалов, наносить покрытия, сваривать детали. Материалы и технологии СВС имеют самое широкое применение: в машиностроении (абразивные, лезвийные и штамповые инструменты, высокотемпературные и износостойкие детали), металлургии (огнеупоры, наплавки, электроды, ферросплавы, металлопроводы), электротехнике и электронике (ферриты, сегнетоэлектрики, изоляторы, нагревательные элементы, высокотемпературные сверхпроводники), химической промышленности (катализаторы), медицине (эндопротезы из сплавов с памятью формы). Оказалось, что процесс СВС является весьма перспективным и для получения наноматериалов: нанораз-мерных порошков, волокон и пленок, а также наноструктурных компактных материалов, что приобретает особое значение в наше время, которое называют временем начала третьей научно-технической революции - индустрии наносистем [3]. Технология СВС может внести важный вклад в решение проблемы наноматериалов.
После изобретения в 1967 г. способа СВС его технологические достоинства были достаточно быстро оценены и получили государственную поддержку в СССР. Были установлены хорошие контакты с промышленностью, организован целый ряд СВС-производств. Однако распад СССР помешал реализации больших планов по промышленному освоению материалов и технологий СВС в различных отраслях народного хозяйства. Важная задача специалистов по порошковым и композиционным материалам и покрытиям - наверстать упущенное в условиях подъема промышленности России.
Высоко оценивается перспективность и эффективность технологии СВС и за рубежом. В настоящее время работы по исследованию процесса СВС ведутся почти в 50 странах, в ряде стран уже действуют СВС-производства. Но необходимо отметить, что при этом за рубежом признается пионерская и лидирующая роль России в развитии и освоении технологии СВС. Изобретение СВС - одно из немногих российских изобретений, получивших мировое признание.
Ученые, производственники и студенты Самары внесли весомый вклад в становление и развитие технологии СВС.
Начало работ по С ВС
Работы по СВС в Самаре (тогда Куйбышеве) были начаты в 1970 г. в Куйбышевском политехническом институте (КПтИ), ныне Самарском государственном техническом университете (СамГТУ), на кафедре «Химия и технология органических соединений азота», руководимой профессором В.Т. Косолаповым, На этой кафедре активно проводились работы по новым методам синтеза и прогрессивным технологиям получения неорганических и органических азидов, т.е. солей азотистоводородной кислоты HNi [4]. Поэтому вскоре после открытия процесса СВС различных тугоплавких соединений, в том числе азотсодержащих (нитридов, кар-бонитридов и др.), В.Т, Косолаповым и А.Г. Мержановым была обсуждена идея использования в процессах СВС в качестве азотирующего реагента не газообразного или жидкого азота, а твердых неорганических азидов, так как известно, что неорганические азиды могут служить эффективными источниками высокочистого азота.
Такое совместное исследование было начато в КПтИ в 1970 г., и завершилось оно изобретением нового способа получения нитридов тугоплавких элементов [5]. Авторами изобретения являлись профессор А.Г. Мержанов и три сотрудника КПтИ: В.Т. Косолапов,
В.В. Шмельков, А.Ф. Левашев. Это изобретение и последовавшие за ним еще несколько изобретений сотрудников КПтИ были доступны только для служебного пользования. То же касалось первой кандидатской диссертации, защищенной по этой тематике А.Ф. Левашевым [6]. Часть полученных результатов была опубликована в открытой печати в 1978, 1980 и 1983 гг. в работах [7-9].
Позже Джозеф Холт из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса Калифорнийского университета США опубликовал в 1983 и 1984 гг. работы [10, 11], в которых предложил использовать неорганические азиды для синтеза горением тугоплавких соединений, в том числе нитридов.
Процессы СВС с применением неорганических азидов обозначаются как СВС-Аз, а основанная на них технология получения порошков нитридов и карбонитридов называется азид-ной технологией СВС.
На рубеже восьмидесятых годов на другой кафедре КПтИ - «Химия и технология высокомолекулярных соединений» (ХТВМС), руководимой профессором С.М, Муратовым, начали развиваться следующие направления СВС:
- чувствительность СВС-составов к механическим воздействиям (удару и трению);
- фильтрационная технология СВС.
Кафедра ХТВМС была известным в стране научным центром по экспериментальному и теоретическому исследованию опасности воздействия ударом и трением на взрывчатые вещества, пороха и пиротехнические смеси. Вполне закономерно, что здесь начали исследовать чувствительность исходных компонентов и шихт, используемых в СВС-процессах, к механическим воздействиям [12]. Под влиянием теоретических работ Б.С. Сеплярского, который в это время вернулся из аспирантуры из Черноголовки в Куйбышев и стал работать на кафедре ХТВМС, были начаты экспериментальные исследования процессов СВС в режиме фильтрационного горения (СВС-ФГ) [13].
Инженерный центр СВС СамГТУ
В конце 1985 г. проректором по научной работе КПтИ стал профессор А.П. Амосов, который до этого 7 лет проработал в Черноголовке в лаборатории профессора А.Г. Мержанова.
А.П. Амосов в 1986 г. организовал научно-исследовательский отдел СВС, куда были переведены исследовательские группы по СВС с указанных выше кафедр КПтИ. В 1988 г. приказом Минвуза РСФСР отдел СВС был преобразован в Инженерный центр СВС КПтИ, директором которого был назначен А.П. Амосов. В том же году КПтИ был включен в состав Межотраслевого научно-технического комплекса «Термосинтез». Инженерный центр СВС СамГТУ успешно работает и в настоящее время.
Работы в Инженерном центре СВС СамГТУ ведутся по следующим направлениям:
1) азидная технология СВС керамических азотсодержащих порошков;
2) фильтрационная технология СВС керамических и композитных порошков;
3) абразивные материалы и инструменты марки СВС;
4) технология СВС-прессования твердых сплавов;
5) СВС-лигатуры для алюминиевых сплавов;
6) сварочные стержни марки СВС;
7) газогенерирующие и аэрозолеобразующие составы для средств пожаротушения;
8) чувствительность СВС-составов к механическим воздействиям.
Результаты разработок технологий и материалов СВС по некоторым из этих направлений описаны в обзорной статье [14].
Приведем кратко важнейшие результаты исследований.
1. Азидная технология СВС [15-18]. Основана на использовании азида натрия №N3 и галоидных солей для синтеза порошков азотсодержащих соединений (нитридов и карбонитри-дов). Примеры реакций СВС-Аз:
ВАкЗ^^+АШз-ЗАГО+ЭТЧаР;
8В+3^^+КВР4=9ВтЗ^Р+КР;
148)+6ЫаЪЬ+(Ш4)25]р6=58^4+61ЧаР+4Н2.
Побочные продукты реакции 1ЧаР и КР легко отделяются от целевых продуктов водной промывкой.
Исследование закономерностей образования нитридов в режиме горения в системах «Элемент-азид-галогенид» выявило следующие замечательные особенности процесса СВС-Аз:
1) использование в процессах горения твердых азотсодержащих соединений позволяет достичь высокой концентрации реагирующих веществ в зоне синтеза, в результате чего фильтрационный подвод газа не лимитирует процесс азотирования, и целевые продукты синтеза имеют высокую степень превращения и чистоты;
2) образование в процессе синтеза большого количества газообразных продуктов приводит к разрыхлению реакционной массы и целевых продуктов, предотвращая спекание последних и позволяя сразу после синтеза получать порошкообразные материалы;
3) низкие температуры горения затрудняют процессы рекристаллизации и агломерации частиц продукта горения; наличие побочных продуктов синтеза - как газов, так и конденсированных веществ - разделяет частицы целевого продукта, препятствуя увеличению их размера; в итоге после синтеза целевой продукт представляет собой очень мелкий неспеченный порошок нитрида с размером частиц близким к размеру частиц порошка азотируемого элемента. В частности, так получается нанопорошок нитрида бора марки СВС-Аз;
4) использование в качестве галогенидов комплексных солей, содержащих в своем составе азотируемый элемент, приводит к образованию нитридов в газовой фазе и, в частности, к образованию нановолокон нитрида кремния марки СВС-Аз;
5) волокнистая структура нитрида кремния марки СВС-Аз позволяет получать плотную горячепрессованную керамику без активаторов спекания с высокой вязкостью разрушения и термостойкостью.
Таким образом, отличительной чертой азидной технологии СВС является то, что она позволяет получать микро- и нанопорошки нитридов высокого качества и является весьма перспективной для производства наноматериалов, что приобретает особое значение в наше время развития нанотехнологий [3, 18].
По азидной технологии СВС в СамГТУ в 2003 г. Г.В. Бичуровым защищена докторская диссертация [17], а в 2007 г. издана монография [18].
2. Фильтрационная технология СВС [19-21]. Эта технология предполагает, что реактор СВС не закрыт, и имеет место направленное течение газа, т.е. организована вынужденная фильтрация реагирующих либо примесных газов через пористую порошковую засыпку в реакторе. Следовательно, данный способ может быть назван СВС-ФГ, т.е. СВС с фильтрацией газов. При этом в реакторе СВС реализуется режим фильтрационного горения пористой порошковой засыпки.
Проведены исследования и отработаны технологические параметры процесса СВС-ФГ для получения порошков нестехиометрического нитрида титана (из стружки), карбида титана, карбонитрида титана, двойного карбида титана-хрома, композиционных металлокерамических порошков на никелевой связке. Показано, что принципиальную роль в реализации процессов СВС-ФГ может играть гранулирование исходной смеси порошковых реагентов. Выявлено, что технология СВС-ФГ имеет следующие достоинства:
- открытый реактор и возможность удаления растворенных и адсорбированных газов, повышенная чистота продукта синтеза;
- возможность утилизации отходов металлообработки (стружки, шламов и т.п.) без предварительной очистки;
- низкое давление в реакторе во время синтеза, в связи с этим - простая конструкция реактора и повышенная безопасность процесса;
- снятие фильтрационных затруднений для реакционных газов, высокая степень превращения;
- повышенная пористость продукта, отсутствие сильного спекания продукта, получение рыхлого, легко перерабатываемого в порошок материала;
- возможность использования слабоэкзотермических смесей;
- получение готовых прочных пористых материалов;
- получение керамических и композиционных материалов.
По фильтрационной технологии СВС в 2007 г. подготовлена к защите докторская диссертация сотрудником СамГТУ А.Г. Макаренко [21].
3. Абразивы марки СВС [22, 23]. В СамГТУ были разработаны технологические процессы СВС с фильтрацией газов (СВС-ФГ) для получения абразивных порошков нестехиометрического нитрида титана из стружки титановых сплавов и карбида титана из титанового порошка. Продукты синтеза дробились и размалывались до фракции микропорошков, которые поставлялись на подшипниковые заводы для предварительной доводки шаров. Более высокоабразивными свойствами обладает микропорошок карбида титана, который заменил, например, на Самарском подшипниковом заводе более дорогой микропорошок карбида титана украинского производства.
Вторая разработка - абразивные инструменты (шлифовальные круги на керамической связке, хонинговальные бруски на вулканитовой связке) на основе зерна розового корунда, получаемого методом СВС-литья и имеющего высокую прочность. Разработанные инструменты показали повышенные характеристики производительности, стойкости, чистоты обработки поверхности. Шлифовальные круги с зерном марки СВС по сравнению со стандартными кругами на основе электрокорунда белого 24А имеют увеличенные на 40% производительность, в 1,5-1,7 раза - стойкость, на 50-100% - предельно допустимую подачу и уменьшенную в 1,2-1,3 раза шероховатость поверхности. Эффект достигается за счет внутреннего шлифования дорожек качения шарошки бурового долота. Хонбруски с зерном марки СВС при обработке гильз цилиндров автомобильных и тракторных двигателей показывают производительность, на 30-40% более высокую, чем бруски на основе электрокорундов 25А и 91 А, и соответствуют брускам на основе карбидов кремния черного и зеленого, но срок службы СВС-брусков в 3-5 раз выше, чем последних.
По СВС-абразивам в 1997 г. в СамГТУ была защищена докторская диссертация Н.В. Носовым [23].
4. СВС-прессование [24-26]. Технология СВС-прессования разработана в ИСМАН. В СамГТУ исследования в области СВС-прессования проводятся по четырем направлениям:
1) металлургическое - разработка (синтез) новых материалов на основе продуктов СВС;
2) конструкторско-технологическое - разработка новых технических решений, улучшающих метод СВС-прессования;
3) математическое моделирование процесса СВС-прессования - аналитическое исследование процессов теплообмена и пластического деформирования продуктов синтеза с целью предсказания распределения плотности и формы заготовки из этих продуктов;
4) технология обработки прессованных СВС-материапов - разработка технологических режимов переработки заготовки из продуктов СВС-прессования в изделия заданной формы и размеров различными методами (шлифовка, разрезка, заточка и т.п.).
Работы по первым трем направлениям ведутся под руководством А.Ф. Федотова, защитившего в 2004 г. докторскую диссертацию [25] и выпустившего в 2005 г. монографию [26]. По первому направлению методами планирования эксперимента установлены количественные связи между содержанием компонентов в исходной шихте и свойствами СВС-прессованных твердых сплавов на основе карбида титана с никелевой связкой при их легировании молибденом, кобальтом и алюминием. По второму направлению разработаны и запатентованы новые технические решения, позволяющие повысить размерную точность синтезируемой твердосплавной заготовки. По третьему направлению осуществлено математическое моделирование процесса СВС-прессования. Разработана модель формирования структурного состояния, по которой задаются начальные условия при решении краевых задач не-80
стационарной теплопроводности и пластичности сжимаемых сред. Построены реологические модели и определяющие соотношения для песчаной оболочки и твердо-жидких продуктов СВС, в которых учтены особенности деформирования сыпучих и твердо-жидких дисперсных сред. Методом конечных элементов решена краевая задача неизотермического пластического деформирования в закрытой матрице пористой заготовки из горячих продуктов синтеза и сыпучей оболочки конечных размеров. Впервые показано, что наличие и деформирование сыпучей оболочки значительно влияет на закономерности уплотнения и формообразования синтезированной заготовки.
По четвертому направлению под руководством доцента М.А. Аранзона был разработан технологический процесс изготовления многогранных режущих пластин из заготовки ком-пактированного твердого сплава СТИМ-5.
5. СВС-лигатуры для алюминиевых ставов [21,27].
Лигатурой называют вспомогательный промежуточный сплав, применяемый для введения легирующих элементов в жидкий металл или для модифицирования (измельчения зерна) структуры получаемых сплавов. Использование СВС-процесса позволило разработать новые технологии производства нескольких высококачественных модифицирующих лигатур для алюминиевых сплавов;
А1+5%Т!; А1+10%гг; А1+5%Т1+1%В.
СВС-лигатуры для алюминиевых сплавов показали следующие преимущества:
1) микроструктура отливок - снижение в 1,5-3 раза размера дендритов и других структурных составляющих;
2) макроструктура отливок - снижение в 2-3 раза размера макрозерна;
3) литейные свойства сплавов:
- увеличение жидкотекучести на 10-15%;
- снижение объемной усадки на 20-30%;
- снижение склонности к образованию трещин и дефектов усадки;
4) механические свойства - увеличение предела прочности на 10-20% и относительного удлинения в 1,5-2,5 раза;
5) эксплуатационные свойства - возрастание высокотемпературной прочности и герметичности;
6) расход лигатуры - снижение в 2-4 раза;
7) свойства отливок - устранение дефектов объемной усадки (раковин и пористости);
8) технология плавки - снижение времени обработки расплава на 10-15%;
9) экономика - увеличение выхода годных отливок на 5-10%;
10) экология - безвредность производства СВС-лигатур.
Исследования по СВС-лигатурам выполнены под руководством профессора В.Н. Никитина и доцента А.Г. Макаренко [21, 27].
6. Сварочные стержни марки СВС [28]. В Инженерном центре СВС СамГТУ разработан оригинальный универсальный сварочный стержень марки СВС и новый способ термитной сварки на его основе, защищенные патентом России [28]. Сварочный стержень представляет собой стальной стержень, обмазанный СВС-смесью с воспламенительным составом на конце. Стержень не содержит дефицитных компонентов и является недорогим. При горении СВС-обмазки получается расплавленная сталь, которая формирует сварочный шов. Вес одного стержня - всего 200 граммов, время его горения -20-25 секунд, длина шва - 80-100 мм.
Новая технология предназначена для сварки стальных изделий толщиной 2-7 мм; листов, пластин, уголков, прутков и т.п. Главные достоинства сварки с использованием стержней марки СВС - простота, оперативность, дешевизна, широкая область применения.
Работы по термитной сварке выполнены профессором А.Р. Самборуком.
7. Газогенерирующие и аэрозолеобразующие составы для средств пожаротушения [29, 30]. Эти разработки выполнены также А.Р. Самборуком, защитившем в 2006 г. докторскую диссертацию по данной тематике [30].
Разработан способ получения чистых газов с температурой менее 150 °С без применения охладителей при фильтрации продуктов горения через пористый заряд. Разработаны рецептуры и отработана технология изготовления низкотемпературных газогенерирующих составов, устойчиво работающих в фильтрационном режиме горения. Созданы газогенерирующие элементы для порошковых огнетушителей ОП-2(г) и ОП-5(г), надежные в работе и позволяющие полностью автоматизировать их производство. Г азогенерирующие элементы ЭГ-2 изготавли-
ваются с 1987 г. на опытном производстве Инженерного центра СВС СамГТУ для Тольяттин-ского завода противопожарного оборудования, где выпущено более 500 тыс. порошковых огнетушителей, снаряженных разработанными газогенераторами.
Разработана рецептура аэрозолеобразующего огнетушащего состава, генерирующая при горении хлориды щелочных металлов в инертном газе с минимальной токсичностью и максимальной огнетушащей способностью (27-30 г/м3), позволяющая тушить в присутствии людей все основные классы пожаров (А,В,С,Е), в том числе тлеющие очаги. Разработаны и изготовлены натурные образцы генераторов огнетушащего аэрозоля, успешно прошедшие испытания на Тольятгинском заводе противопожарного оборудования и в Испытательной пожарной лаборатории МЧС России.
8. Чувствительность СВС-составов к механическим воздействиям [12, 31]. Данное направление развивалось под руководством профессоров С.М. Муратова и С.П. Бажанова.
Изучена чувствительность более 30 шихт составов для СВС при воздействии на них ударом на копре K-44-JI по ГОСТ 4545-80 и трением на копре K-44-III. Чувствительность характеризуется минимальной энергией механического воздействия, инициирующего воспламенение шихты. Оказалось, что в стандартных условиях испытания ударом инициируются только наиболее чувствительные СВС-смеси на основе окислителей СЮ3 и V2O5, а большинство смесей не инициируются даже при максимальной энергии удара ЮОДж. Если же отойти от стандартных условий (диаметр бойка 10 мм, толщина слоя СВС-смеси 0,55-0,70 мм), то при уменьшении диаметра бойка до 1,6 мм и увеличении толщины слоя до 1-3 мм энергия инициирующего удара существенно уменьшается (на несколько порядков) и может снизиться до 0,1 Дж. Таким образом, стандартные испытания не всегда позволяют дать достоверную оценку чувствительности СВС-составов и могут приводить к принципиальным ошибкам в оценке их пожароопасности. Для наиболее достоверной оценки пожароопасности СВС-составов к удару необходимо проводить испытания при различных толщинах слоев СВС-составов и диаметрах бойка, что позволяет находить действительно минимальную энергию инициирования ударом и характеризовать чувствительность к механическим воздействиям практически всех СВС-составов.
Работы по СВС в других организациях города Самары
Сотрудники Куйбышевского политехнического института (КПтИ), а также его выпускники, которые прошли обучение по системе «Академвтуз» в Черноголовке, на базовой кафедре «Инженерная химическая физика», руководимой профессором А.Г. Мержановым, положили начало развитию СВС в нескольких организациях города Куйбышева:
- Куйбышевское агрегатно-производственное объединение (КАПО);
- Куйбышевский филиал Научно-исследовательского института двигателестроения (КФ
НИИД);
- Куйбышевское моторостроительное производственное объединение имени Фрунзе
(КМПО);
- Всесоюзный институт технологии строительного и дорожного машиностроения (ВИТст-
ройдормаш).
Кратко охарактеризуем результаты работ в этих организациях.
КАПО. Здесь в 1982 г. совместно с КПтИ была разработана и изготовлена установка для электроконтактной сварки авиационной конструкционной стали 30ХГСА с использованием процесса СВС. Были также проведены технологические исследования по СВС-сварке пар: сталь-быстрорез, сталь-твердый сплав, сталь-минералокерамика. Нагрев осуществляли джо-улевым теплом, ТВЧ, печным способом (Г.А. Кулаков, В.И. Ермаков, В.Ю. Надеин, А.И. Кутузов).
В последующие годы в КАПО совместно с КПтИ проводились работы по использованию материалов и процессов СВС для нанесения защитных покрытий (В.Д. Нуяндин, А.И. Кутузов). Методом СВС получались изделия типа «катод» для использования их в установках ионно-плазменного напыления покрытий на инструмент (резцы и штампы). Стойкость инструмента при этом была повышена в 2-3 раза. Освоено также получение хромовых покрытий методом СВС на изделиях взлетно-посадочных устройств, позволившее заменить технологию гальванического покрытия хромом.
КФ НИЩ. Здесь на рубеже восьмидесятых годов прошлого века были начаты работы по использованию материалов и процессов СВС в технологии авиационного двигателестроения. В 1985-1986 гг. были созданы два технологических участка по наработке тугоплавких соединений по азидной и фильтрационной технологиям СВС. Порошки нитридов и карбонитридов марки СВС-Аз были использованы для упрочнения инструментов из быстрорежущей стали методом динамического микролегирования (Г.Р, Маеров, В.П. Киреев). Технология СВС-ФГ была использована для прямого получения гидромониторных насадок из бинарного карбида титана-хрома и карбонитрида титана. Из отходов металлообработки титановых сплавов (стружки и шламов электрохимической обработки) были получены композиционные абразивные порошки TiC-АЬОз, TiC-MgO, TiCo,iNo,6-AlNo 3, TiC-WC-NiAl, не уступающие по абразивным характеристикам карбиду титана (A.A. Борзунов, В.П. Скобельцов, И.А. Лазунин, И.А. Фролов). В конце 1987 г. на базе КФ НИИД был создан Средневолжский НТЦ СВС МАП СССР (руководитель - к.т.н. А.А, Борзунов) и введен в состав МНТК «Термосинтез».
КМПО. В 1984 г. здесь совместно с ОИХФ АН СССР были начаты работы по изготовлению методом газостатного СВС-спекания электроизоляционных втулок из нитрида бора для печей направленной кристаллизации лопаток ГТД. В 1985 г. был осуществлен полный перевод печей ПМП-2 на эти втулки, так как их ресурс работы более чем в два раза превысил ресурс работы серийных втулок из карбонитрида бора, получаемых методом печного синтеза. В 1986 г. было изготовлено 3 тыс. втулок, в 1987 году - 6 тыс. втулок. Фактический экономический эффект в 1987 г. составил 640 тыс. руб. (Е.В. Околович, В.И. Ермаков, А.М. Павлов,
В.И. Курчаткин).
В 1986 г. совместно с ОИХФ в КМПО были начаты работы по нанесению хромборидных покрытий методом газотранспортных реакций на кондукторные втулки из стали ХВГ. Стойкость втулок увеличилась в 4-6 раз. В последующие годы был расширен ассортимент покрываемых деталей, а технология СВС-покрытий внедрена в производство.
Также совместно с ОИХФ в 1986 г. была разработана, изготовлена и впоследствии внедрена установка для СВС-сварки пары «сталь 45 - быстрорежущая сталь». В 1987 г. на этой установке было изготовлено 1500 отрезных резцов. При этом была получена экономия от 70 до 90% быстрореза.
Наконец, в 1987 г. совместно с ОИХФ была отработана и внедрена технология СВС-спекания пористых плит из оксидной керамики TiB2-Al203 и VB2-AI2O3 с максимальной пористостью и газопроницаемостью для турбоабразивной установки.
ВИТстройдормаш. В конце 80-х годов здесь были начаты разработки по использованию технологии СВС-наплавки для упрочнения деталей строительных и дорожных машин (A.B. Стопневич, В.Ю. Постников, К.И. Изотов). В начале 90-х годов была разработана технология литья, совмещенного с СВС, деталей, которые при эксплуатации подвергаются абразивному или гидроабразивному износу (В.Е. Крашенников, С.А. Рязанов). В литейную форму устанавливались СВС-брикеты в местах расположения рабочих поверхностей деталей. От контакта с жидким металлом в брикетах начиналась реакция СВС, сопровождающаяся пропиткой пористых тугоплавких продуктов реакции жидким металлом. Образующийся композиционный сплав был прочно связан с отливкой и имел твердость до 60 HRC. Было организовано предприятие для производства лопаток смесителей, роторов шламовых насосов и др. Замена лопастей, изготовленных из стали с твердостью 50-55 HRC, на литые из серого чугуна, упрочненного СВС-технологией, позволило повысить стойкость в 2,6-3,0 раза в условиях перемешивания песчано-известковой смеси и тяжелого бетона.
В начале 90-х годов также была освоена и развита разработанная в ИСМАН и Казахском МНТЦ СВС технология изготовления СВС-огнеупоров марки «Фурнон» с использованием отходов производства (В.В. Свищев, А.Н. Карманов, В.Е. Крашенников). Затем развитие этой технологии и промышленное производство СВС-огнеупоров, главным образом, в виде кладочного раствора для футеровки нагревательных и плавильных печей и установок, шло уже в ЗАО «Волгаогнеупор», организованном в 1995 г. сотрудниками ВИТстройдормаш (Е.И. Лату-хин, С.А. Рязанов) и работающим по настоящее время. В 2005 г. С.А. Рязанов защитил кандидатскую диссертацию [32].
Академ-втуз
«Академ-втуз» - получившая известность в нашей стране форма обучения студентов, позволяющая готовить в периферийном техническом вузе кадры инженеров-исследователей с использованием возможностей центральных академических институтов. Выпускники системы «Академ-втуз» имеют фундаментальную физико-математическую подготовку и прочные навыки выполнения современной научно-исследовательской работы. «Академ-втуз» аналогична широко известной системе подготовки научно-инженерных кадров в Московском физико-техническом институте и отличается от последней технологической направленностью.
Система «Академ-втуз» разработана и осуществлена совместно Куйбышевским политехническим институтом (КПтИ), ныне Самарским государственным техническим университетом (СамГТУ), и Отделением Института химической физики АН СССР (ОИХФ), ныне Институтом проблем химической физики РАН (ИПХФ) в академгородке Черноголовка Московской области. Впервые описана в журнале «Вестник высшей школы» №2 за 1980 г, в статье «По системе «Академ-втуз» заместителя директора ИХФ АН СССР член-корреспондента АН СССР Ф.И. Дубовицкого и ректора КПтИ профессора С.М. Муратова [33].
Начало работы системы «Академ-втуз» было положено в 1972 г., когда по приказу Минвуза РСФСР от 21.01.72 г. №21 в Отделении ИХФ АН СССР была образована базовая кафедра КПтИ, названная кафедрой инженерной химической физики, которую возглавил зав. лабораторией теории горения ИХФ АН СССР, доктор физико-математических наук А.Г. Мержанов, ныне академик РАН, директор Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН).
Для обучения по системе «Академ-втуз» в КПтИ ежегодно после пятого семестра формировалась специальная группа в среднем в 10 человек из наиболее успевающих студентов инженерно-технологического факультета. В 6-8 и 10-11 семестрах обучение проводилось на базовой кафедре ИХФ в Черноголовке, а на девятый семестр студенты возвращались в Куйбышев, где на профилирующих кафедрах КПтИ проходили специальную технологическую подготовку.
Преподавателями базовой кафедры ИХФ работали по совместительству ведущие ученые Института химической физики АН СССР. В 1979 г. Занятия вели 13 преподавателей, из которых 7 - докторов, а 6 - кандидатов наук, а в 1989 г. - 18 преподавателей, из которых 15 - докторов наук. Такой сильный преподавательский состав позволял на самом высоком уровне осуществлять подготовку по математической и теоретической физике, теоретическим основам химии и химической технологии, вести специальные курсы. Наряду с учебными занятиями студенты выполняли настоящие НИР в лабораториях академического института, на которые отводилось более трети учебного времени. С самого начала большое внимание уделялось развитию навыков самостоятельной работы.
Длительные сроки выполнения НИР позволяло студентам к концу обучения, к защите дипломных исследовательских работ получать такие результаты, что большинство из них публиковалось в виде статей в центральных научных журналах. В итоге выпускники системы «Академ-втуз» показывали себя сложившимися научными сотрудниками, и большинство из них получало рекомендацию ГЭК для поступления в аспирантуру.
В 1978 г. Минвуз РСФСР в Инструктивном письме №109 одобрил и рекомендовал к распространению систему «Академ-втуз», с помощью которой, в частности, можно усилить научно-педагогические кадры профилирующих кафедр специалистами с глубокой общенаучной подготовкой.
Система «Академ-втуз» активно участвовала в становлении и развитии такой новой научно-технической области, как самораспространяюшийся высокотемпературный синтез (СВС), базирующейся на отечественном научном открытии, которое сделали в 1967 г. профессор А.Г. Мержанов с сотрудниками,
С течением времени все большее число студентов КПтИ вовлекалось в исследование процессов СВС. В 1981 г. письмом Минвуза РСФСР №09-36-1772/09-1-6 от 30.06.81. Куйбышевскому политехническому институту было разрешено обучение студентов специальности 0407 «Металловедение и термическая обработка металлов» по специализации СВС. В 1984/85 учебном году было начато раздельное обучение студентов инженерно-технологического и механического факультетов КПтИ на базовой кафедре по двум специализациям:
- инженерная химическая физика;
- самораспространяющийся высокотемпературный синтез.
Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 12.12.85. №1230 «О создании Межотраслевых научно-технических комплексов и мерах по обеспечению их деятельности» был создан МНТК «Термосинтез» для развития и расширения масштабов промышленного использования новейших прогрессивных ресурсосберегающих технологий межотраслевого характера на основе процессов СВС. Генеральным директором МНТК «Термосинтез» был назначен профессор А.Г. Мержанов
В 1987 г. в качестве головной организации МНТК «Термосинтез» был образован Институт структурной макрокинетики АН СССР (ИСМАН) на основе научного отдела А.Г. Мержанова в отделении ИХФ АН СССР. Среди первых научных сотрудников ИСМАН были десятки выпускников системы «Академ-втуз», оставшиеся работать в Черноголовке. Они внесли большой вклад в развитие теории и практики СВС, защитили кандидатские и докторские диссертации.
В результате сотрудничества в рамках системы «Академ-втуз» в КПтИ появилось новое научное направление - СВС, развиваемое в Куйбышеве десятками учеников профессора Мержанова. Было разработано несколько приоритетных направлений в рамках проблемы СВС, охарактеризованных выше.
Постановлением Совета Министров СССР от 12 января 1987 г. №47 Куйбышевский политехнический институт был введен в число организаций, участвующих в работе МНТК «Термосинтез».
Приказом Минвуза РСФСР от ¡3.09,88. №430 в КПтИ в качестве структурного подразделения НИЧ был создан Инженерный центр СВС для разработки и внедрения СВС-технологий и материалов. И такая работа была успешно проведена с несколькими предприятиями и организациями г. Куйбышева: КМПО, КАПО, ГПЗ-4, КФ НИИД, Витстройдормаш.
Под влиянием работ по проблеме СВС в КПтИ в 1988 г. была открыта новая специальность «Порошковые и композиционные материалы, покрытия», а в 1989 г. - новый факультет, названный физико-технологическим.
В 1989 г. профессор А.Г. Мержанов попросил освободить его от заведования базовой кафедрой КПтИ в связи с его новой большой загрузкой в качестве директора ИСМАН и генерального директора МНТК «Термосинтез». Одновременно с этим был подписан совместный приказ КПтИ и ИСМАН от 07.07.89. от 05.07.89, №1/201 и №46 «Об организации учебнонаучного комплекса «КПтИ-ИСМАН», по которому в ИСМАН была организована базовая кафедра КПтИ «Самораспространяющийся высокотемпературный синтез» для обучения студентов физико-технологического факультета КПтИ по специализации СВС. Заведующим кафедрой СВС был избран по совместительству профессор Ю.М. Григорьев, зав. лабораторией ИСМАН.
Базовая кафедра «Инженерная химическая физика» была сохранена в отделении ИХФ АН СССР для обучения студентов инженерно-технологического факультета КПтИ по специализации «Инженерная химическая физика». Этой кафедрой руководили директор Отделения ИХФ АН СССР профессор С.М. Батурин, а затем профессор С.М.Алдошин, ныне директор Института проблем химической физики РАН, образованного на базе Отделения ИХФ РАН в Черноголовке.
Однако в 90-х годах высшая школа России столкнулась с финансовыми трудностями, и КПтИ, преобразованный в СамГТУ, фактически лишился возможности направлять своих студентов для обучения на базовые кафедры в Черноголовке: оплачивать их проезд и проживание, а также работу профессорско-преподавательского состава базовых кафедр. В 1992 г. впервые спецгруппа 3-го курса ФТФ не была отправлена на базовую кафедру СВС в Черноголовку. Последняя защита дипломных работ на этой кафедре была проведена в 1993 г.
Базовая кафедра ИХФ продержалась еще три года за счет работы ее преподавателей на общественных началах и за счет сокращения численности студентов в спецгруппе до 3-4 человек.
Всего за время существования системы «Академ-втуз» выпущено 242 инженера-исследователя, шестеро из них защитили докторские диссертации, а более 80 — кандидатские.
К сожалению, в период с 1995 по 2001 гг. обучение студентов по системе «Академ-втуз» приостановилось из-за финансовых трудностей, хотя базовые кафедры СамГТУ в Черноголовке и учебно-научные комплексы были сохранены.
Возобновление их деятельности произошло в 2002 г., когда четверо студентов СамГТУ поехали в Академгородок в ИСМАН для обучения на базовой кафедре СВС по системе «Академ-втуз» согласно заключенным договорам о целевой подготовке специалистов для ФГУП «Московское машиностроительное производственное предприятие «Салют». Это предприятие приняло решение о широком внедрении прогрессивной технологии и материалов СВС в производство авиационных двигателей нового поколения. Для реализации данного решения потребовалась целевая подготовка специалистов по СВС в ИСМАН, где отрабатывается применение технологий СВС для решения проблем производства на предприятии «Салют». Предприятие купило в Черноголовке две квартиры под общежитие студентов и заключило в 2002 г. 4 договора с СамГТУ о целевой подготовке специалистов по системе «Академ-втуз». Планируется ежегодно заключать такие договора в течение ряда лет, так что можно говорить о восстановлении обучения студентов по системе «Академ-втуз».
Преподавание СВС в СамГТУ
Как уже отмечалось выше, в 1981 г. Минвузом РСФСР дало разрешение Куйбышевскому политехническому институту вести обучение студентов специальности «Металловедение и термическая обработка металлов» по специализации СВС. Первые годы такое обучение было построено по системе «Академ-втуз», когда студенты-политехники направлялись на обучение в Черноголовку. Но затем в 1988 г. в КПтИ была открыта новая специальность «Порошковые и композиционные материалы, покрытия», и специализация СВС вошла в состав этой специальности. В начале 90-х годов специалисты по СВС в КПтИ защитили кандидатские и докторские диссертации и могли уже в Куйбышеве вести обучение по специализации СВС. В 1994 г. из-за финансовых трудностей КПтИ уже не смог направлять студентов в Черноголовку. В том же году заведующим кафедрой «Материаловедение в машиностроении» в СамГТУ стал профессор А.П. Амосов, который и организовал ежегодное обучение по специализации СВС подгруппы численностью 10-12 человек. В таком виде специализация СВС и по сегодняшний день сохраняется на кафедре «Металловедение и порошковая металлургия», которая была выделена в 2004 г. из кафедры «Материаловедение в машиностроении» (зав. кафедрой -А.П. Амосов).
В настоящее время учебный план предусматривает следующие дисциплины специализации СВС:
- теория СВС;
- технология СВС;
- материалы СВС;
- оборудование СВС;
- пожаровзрывобезопасность СВС.
Преподавание ведут три доктора и два кандидата наук - специалисты по СВС. По этим дисциплинам написано более 10 учебных и методических пособий. Ежегодно по специализации СВС студентами защищается 10-12 выпускных квалификационных работ. По специализации СВС работают также аспирантура и докторантура. По тематике СВС в СамГТУ защищено 6 докторских и 20 кандидатских диссертаций. В 2007 г, А.П, Амосовым, И.П. Боровин-ской, А.Г. Мержановым издано большое учебное пособие «Порошковая технология саморас-пространяющегося синтеза материалов» [34], которое было допущено Учебно-методическим объединением по металлургическим специальностям страны для обучения студентов вузов по направлению «Металлургия».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. A.c. 255221 (СССР). Способ синтеза тугоплавких неорганических соединений / А.Г. Мержанов, В.М. Шкиро, И.П. Боровинская. 1967; Пат. 2088668 (Франция). 1972; Пат. 3726643 (США). 1973; Пат. 1321084 (Англия). 1974; Пет. 1098939 (Япония). 1982.
2. Открытие 2S7 (СССР). Явление волновой локализации автотормозящихся твердофазных реакций / А.Г. Мержанов, И.П. Боровинская. В.М. Шкиро. Зарег. в Гос. реестре открытий СССР 7 марта 1984 г. за № 287 с приоритетом 5 июля 1967 г,
3. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г.. Сычев А.Е Приемы регулирования дисперсной структуры СВС-порошков: от монокрисгальных зерен до наноразмерных частиц // Известия вузов. Цветная металлургия. 2006. №5. С. 9-22.
4. Взрывчатые вещества, пиротехника, средства инициирования в послевоенный период: Люди, наука, производство. M.-СПб.: Гуманистика, 2001. С. 889-890.
5. A.c. №658084(CCCP). Способ получения нитридов тугоплавких элементов / В.Т. Косолапое, В.В. Шмелысов, А.Ф. Левашев, А.Г, Мержанов, 1978.
6. Левашев А.Ф. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез нитридов переходных металлов IV группы и алюминия с применением неорганических азидов: Автореф. дне. ... канд. техн. наук / Куйбышев: КПтИ, 1983. 20 с.
7. Косолапое В.Т. Шмельков В.В., Левашев А.Ф., Марков Ю.М. Синтез нитридов алюминия, титана, циркония и гафния в режиме горения // Тез. докл. Второй всееоюзн. крнф. по технолог, горения. Черноголовка: ОИХФ АН СССР, 1978. С. 129-130,
8. Бичуров Г.В., Левашев А.Ф.. Косолапое В.Т., Марков Ю.М. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез нитридов и карбонитридов элементов с применением твердых азотирующих реагентов 11 Молодые ученые и специалисты на рубеже X пятилетки: Тез. докл. Обл. науч.-техн. конф. Куйбышев, 19-21.11.1980, Куйбышев: ОДТНТО. 1980. С. 58-59.
9. Косолапое В.Т., Левашев А.Ф., Бичуров Г.В., Марков Ю.М. Синтез тугоплавких нитридов в режиме горения с применением твердых азотирующих реагентов // Тугоплавкие нитриды,Киев: Hay кова думка, 1983. С. 27-30.
10. Patent №4-459-363 (USA), Synthesis of refractory materials / Joseph B.Holt.- Aug.6,1983. Int.Cl.C04B 35/58.
11. J.B. Holt, D.D. Kingman. Combustion synthesis of transition metal nitrides. Mater. Sei. Reports. Vol. 17, 1984. P. 167175.
12. Муратов C.M. и др. Чувствительность составов для СВС к удару и трению // Первый Всесоюзный симпозиум по макроскопической кинетике и химической газодинамике: Тез. докл. Октябрь 1984 г., Алма-Ата. Черноголовка, 1984. Т, II. Ч. 2. С. 128-129.
13. Скобельцов В. П., Сеплярский Б. С., Л азу ни» И. А., Харитонов Е.В. Закономерности фильтрационного горения при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе карбонитрида титана // Первый Всесоюзный симпозиум по макроскопической кинетике и химической газодинамике: Тез. докл. Октябрь 1984 г., Алма-Ата. Черноголовка, 1984. Т. 11. Ч. 1. С. 102-103,
14. Амосов А.П. Разработки Инженерного центра СВС в Самаре //Техника машиностроения, 2003, №1(41). С. 95102.
15. Amosov А,P., Bichurov G.V. et al. Azides as reagents in SHS processes // int. Journal of SHS. Vol t. No. 2. 1992. P. 239-245,
16. Амосов А.П., Бичуров Г. В. и др. Азидные технологии СВС // Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: теория и практика. Черноголовка: Территория, 2001. С, 314-332.
17. Бичуров Г.В. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез нитридов с применением неорганических азидов и галоидных солей: Автореф. дис.... д-ра. техн. наук / Самара: СамГТУ. 2003. 42 с.
18. Амосов А.П., Бичуров Г.В. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза мик-ро- и нанопорошков нитридов. М.: Машиностроение-1, 2007. 526 с.
19. Amosov А.P., Makarenko A.G. et al. SHS filtration combustion technigues of ceramic powders ti Int. Journal of SHS, 1998. Vo!. 7. No. 4. P. 423-438.
20. Амосов А.П,, Макаренко А.Г. и др. Технология СВС с фильтрацией газов для получения керамических порошков// Вестник СамГТУ. Вып. 5. Сер. Техн. науки. 1998. С. 92-103.
21. Макаренко А. Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез керамических порошков и алюминиевых лигатур и сплавов в гранулированных средах: Автореф. дис.... д-ра техн. наук / Самара: СамГТУ, 2007. 44 с.
22. Носов Н.В., Кравченко Б.А., Юхвид В.И., Китайкин В.Л. Абразивные СВС материалы и инструменты. Самара: СамГТУ, 1997. 400 с.
23. Носов Н.В. Повышение эффективности и качества абразивных инструментов путем направленного регулирования их функциональных показателей: Автореф, дис.... д-ра техн. наук / Самара: СамГТУ, 1997. 46 с.
24. Amosov А.Р., Fedotov A.F. Energy method simulation of SHS pressing process of Ti-C-Ni system // Int. Journal of SHS. 2001. Vol. 10. No. 4. P. 387-402.
25. Федотов А.Ф. Механика и теплофизика процесса прессования порошковых материалов в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза: Автореф, дис.... д-ра техн. наук / Пермь: ПГТУ, 2004. 34 с.
26. Федотов А.Ф., Амосов А. П., Радченко В. П. Моделирование процесса прессования порошковых материалов в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: Машиностроение-), 2005. 282 с.
27. Nikitin К/. Amosov A.P., Merzhanov A.G, Lukyanov С.S. Research and production of SHS master ailoys // Int. Journal of SHS. 1995. Vol. 4. No. 1. P. 105-112.
28. Патент 2039639 России. Способ термитной сварки и термостержень для термитной сварки /А.П. Амосов, А, Р. Самборук и др.
29. Amosov A. P., Samboruk A.R. et ai. Pol I ut ion-free generator of fire-extinguishing aerosol // VI Int. Symp. on SHS (Haifa, Israel, 2002): Book of abstracts. P.35.
30. Самборук A. P. Горение пористых газогенерирующих и аэрозолеобразующих составов для средств пожаротушения: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Самара: СамГТУ, 2006. 42 с.
31. Бажанов С.П., Лапшина И.А., Амосов А.П. Чувствительность и пожароопасность смесей для СВС при воздействии ударом // Физика горения и взрыва. 1992. Т, 28. №3. С. 54-58.
32. Рязанов С.А. Разработка технологии производства огнеупорных изделий из алюмотермитных композиционных материалов с использованием вторичного сырья: Автореф. дис. ... канд. техн. наук / Самара: СГАСУ, 2005. 16 с.
33. Д)'бовицкий Ф.И., Муратов С.М. По системе «Акацем-втуз» // Вестник высшей школы. 1980. №2. С. 18-21.
34. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учеб. пособ. для студентов вузов. М.: Машиностроение-!, 2007. 568 с.
Статья поступила в редакцию ¡9 сентября 2007 г.
