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纳米工艺在冶金中的主要应用

发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com 更新时间：2016-01-05

冶金生产中已有实际应用纳米工艺的例子。如阿沙冶金厂按工业规模生产5NbCuSiB合金，是巴尔金中央黑色冶金科学研究所研制，由非晶相（20%）和尺寸约5nm~10nm纳米晶（80%）组成。合金具有极好的磁导率，同样重要的是较低的价格。

1 纳米工艺的目标

　　实际的纳米工艺计划解决2个主要问题。

　　首先，它们可能使设备和仪器进一步微型化。特别是借助不同组织或用喷涂获得极薄的薄膜，可以在很小的体积内形成要求的性能。移动电话就是很好的例子。这些多功能设备能进行摄像和摄影，进行声波记录等。纳米工艺在医学中的任务同样重要。有可能制造新一代的诊断仪器：微型传感器，甚至特定类型的微型计算机。它们能移动到人体内，以便传递内部器官状态最准确可靠的信息。应用药剂的纳米脉冲和纳米剂量，预示着成功医治最复杂的和现今的不治之症。

　　尺寸效应在电子学和光学仪器中会产生巨大优势。航天和航空技术装备应用纳米材料和纳米工艺很有前景。因为，这些地方设备的重量和尺寸问题具有决定意义。

　　第2个任务是获得具有全新性能的材料，它们是用传统方法不能获得的。表面、晶间及相间界面，对于很小尺寸的致密微粒或相，起着特别重要的作用。它们可能占总体积的50%，甚至占物质的主要重量。在许多情况下，微粒或纳米晶体的发达表面，会在质量上产生新的物理、化学和力学性能。纳米微粒组成的材料，特别是在一定的条件下，显示出全新的导电、磁性、光学及其他特性。例如，纳米粉末开始自然发光，另外与周围环境相互作用，甚至能改变自己相成分。借助纳米工艺可以目标明确地利用性能的这种突变效应。

2 纳米工艺发展

　　采用常规的工艺也可以获得纳米效应。例如，俄罗斯科学院固体物理研究所用大的总压下量多次轧制方法，获得由几千层极薄（10nm）层组成的、铜和铌复层带材试样，具有极好的超导性能。由此可以得出结论：现代冶金设备（轧机、热处理炉等）能获得纳米材料产品。

　　生产的纳米产品有80%以上是纳米粉末。在20世纪50年代，就已经开始得到应用，在采用“纳米”术语前称为超细度粉末。在俄罗斯，首先是М、И、特鲁索夫等对这方面的发展作出了强有力的贡献。他们在制造钚的工艺过程中能够获得小于100nm的微粒。

　　现代纳米材料可以分成几类：纳米晶组成的物质；很小厚度的纳米表层；纳米尺寸微粒组成的纳米粉末。这不是现代纳米材料的全部类型。

　　应指出具有很小尺寸，即小于100nm，不是确定某一具体工艺为纳米工艺的充分理由。在很久以前，纳米工艺就已得到应用。在中世纪制造带彩色绘画的玻璃时，使用添加超细度金属微粒的方法，达到改变玻璃颜色的目的。神奇的大马士革钢独特的性能，应归功于按一定制度锻造产生的纳米组织；而著名的金箔实质就是由实体材料制成纳米薄膜镀层。目前使用术语“纳米组织材料”，表示这种材料成分中有相应尺寸的微粒或其他组织元素（不必是晶粒）。例如，在高速切削钢中，形式上也可以说是纳米微粒的超细碳化物保证了强化效应。然而，性能的变化，显然才是某种材料和工艺可以确定为“纳米”的决定标准。

3 俄罗斯在纳米领域的研究

纳米工艺的有效应用，可以改善结构材料的性能。例如，借助纳米工艺可以保证材料表面强化效应，能获得表面很强而核心具有韧性的材料。同时镀层的厚度能控制在很窄范围内。莫斯科钢铁和合金学院以E.A.列瓦绍夫教授为首的研究组，别尔哥罗德国立大学以Ю、Р、科洛博夫教授为首的纳米工艺科学中心集体在这方面达到较大成就。

　　最近几年，发现了碳的新变体Фумерены，在其基础上可以制造全新的材料。例如，Фумерен变体纳米管具有超过金刚石强度几倍的强度，可以用作复合材料加强纤维，以及作为高效反射镀层基体等。这个方面的进一步发展是获得硅的类似效应，研制纳米管合金化的方法。据专家的观点，应用这些纳米组份，在制造新的结构和功能材料中，能保证质量上的飞跃。

　　因为组织中必须具有很小尺寸的相位组份：碳化物或金属间化合物（合金钢），所以具有确定条件的典型钢可以列入纳米材料。

　　马法航空工业大学在Р.З.瓦利耶夫教授领导下，俄罗斯科学巴伊科夫冶金和金属学研究所在C.B.多巴特金教授领导下，进行了引人注目的工作。用大压下量强塑性变形方法，获得钢的纳米组织结构以及具有极好强度特性的钛、铝和铜合金。

　　冶金生产中已有实际应用纳米工艺的例子。如阿沙冶金厂按工业规模生产5NbCuSiB合金，是巴尔金中央黑色冶金科学研究所研制，由非晶相（20%）和尺寸约5nm~10nm纳米晶（80%）组成。合金具有极好的磁导率，同样重要的是较低的价格。在Г.格良伊德尔教授使“纳米”术语通用以前，就已研制了这种合金。如今这种产品广泛而成功地用于生产各工业部门的电子设备、继电器、随动系统组元。

　　研究超细度组织，可以认为是纳米工艺和纳米材料领域开拓的前提，永远是中央黑色冶金科学研究所金属学和金属物理研究所的一个主要研究方向。原先金属学和金属物理研究所的创始人，Г、В、库尔久莫夫院士对弥散硬化理念做出了巨大贡献。实际上，建立了获得高强马氏体纳米钢的科学基础。金属学和金属物理研究所的专家继续这些研究，研制了强度超过3500MPa马氏体时效钢，成功地用于航天器的能量机械储存器结构中，依靠析出尺寸几十纳米的金属间化合物，加强马氏体的强化效应。这种材料达到了工业应用。与传统方向一样，研究所进行了熔体超速淬火，获得非晶态和纳米晶材料的研究。这些材料新的改进型态，具有高的机械性和磁性。除淬火外采用强度变形方法，以及在低温条件下低温变形的新方法，从而获得具有纳米马氏体组织的钢，强度提高4倍~5倍。中央黑色冶金科学研究所粉末冶金研究所，成功地进行了获得纳米组织粉末的工作。
　　最新的研究有中央黑色冶金科学研究所、中央金属结构科学研究所“Прометей”和谢韦尔钢切列波维茨钢铁公司，联合研制大口径钢管用强度级达X100新耐寒微合金钢。以前通常借助昂贵的合金化达到这些钢的强化效应和使用寿命。在现在的“Метам”设计中，研究所的科学家在Ю、Д、莫罗佐夫领导下，依靠析出钼、钒、铬的碳氮化物纳米相，选择形变热处理的最佳温度制度，达到增强强化的效应。推荐小费用的工业炼钢工艺，按照国际标准已通过了鉴定试验。维克萨冶金厂用这些工艺制造的工业批量钢管，在实际使用条件下试验成功。耐寒钢也能用于造船、海洋平台、贮油罐、海洋码头等。在温度达零下40℃，可能地震、风暴和积冰影响条件下，有静态、周期性和动态负荷条件下，这些材料保证在北极大陆架上的安装和使用。石油运输公司的专家确认，在经济指标完全合格条件下，这种钢在动态负荷条件下强度、韧性和抗裂性超过了所有俄罗斯和国外有名的同类产品。因此，甚至在现在特殊的经济环境下，中央黑色冶金科学研究所的研制产品也有用户。

　　研究所成功研制了所谓的梯度纳米材料。它们在规定的工艺制度条件下可以目标明确地改变制品不同部分的性能。例如，电动机的电枢利用了这个性能。用专门的纳米组织处理方法，可以改变材料的磁性，产生可调整性能的“纳米区”。

　　总之，巴尔金中央黑色冶金科学研究所在E、X、沙赫帕佐夫领导下，保持了在物理材料学领域重要中心的地位，是推广冶金纳米工艺的主要研究所，是该题目所有科学论坛和会议的参加者。

　　从科学工艺的新颖性和内容上看，俄罗斯的科学家至少不逊色，而且在许多方面甚至超过了西方竞争者。例如，在纳米粉末题目的典型研究中，我们的科学家毫无疑问占居第一位。这既属于强塑性变形领域，又属于熔体淬火的研制（例如，5NbCuSiB冶金生产工艺）。

　　俄罗斯许多科研单位都在进行纳米工艺的研究，实施不同水平、规模和重要性的数百个规划。这些规划彼此不可分割，相互配合，总体定位在科学、组织和金融方面。

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