Файл: 95инновационная россияинновации 12 (206), 2015Проблемы и опытВведение.pdf

95
ИННОВАЦИОННАЯ РОССИЯ
ИННОВАЦИИ
№ 12 (206), 2015
Проблемы и опыт
Введение
В настоящее время в России имеется несколько универсальных отечественных продуктов, внедрение которых повышает конкурентоспособность пред- приятий различных отраслей народного хозяйства и выводит их на новый уровень. Прежде всего, это продукты IT-сферы, интенсифицирующие процессы коммуникаций, а также некоторые продукты, на на- чальном этапе представленные в сфере энергетики и транспорта, затем распространившиеся на все на- родное хозяйство. Один из подобных универсальных продуктов, изначально разработанный для решения проблем машиностроения, предлагает ООО «Научно- производственное объединение «Геоэнергетика», рас- положенное в Калуге.
Любая современная техника обладает таким свойством, как износостойкость узлов и механиз- мов. Низкий ресурс узлов и агрегатов приводит к необходимости значительных затрат на ремонт и производство запчастей. Примером могут служить детали узлов подшипников скольжения, шейки валов, втулки, колесные пары подвижного состава железнодорожного транспорта, подшипники и пары трения автомобилей, детали зубчатых зацеплений в редукторах, ролики прокатного оборудования и мно- гие другие (рис. 1). Затраты на ремонт и техническое обслуживание узлов, деталей и механизмов могут в несколько раз превышать ее стоимость. Потери от трения и затраты, связанные с ними, составляют от
1 до 5% национального продукта развитых стран, что не может не оказывать существенного влияния на
Малое инновационное предприятие: возможности развития технологии и масштабирования бизнеса
П. В. Балаш,
к. э. н.,
первый зам. генерального
директора
pvbalash@gmail.com
С. В. Кислов,
генеральный директор
geoen@mail.ru
А. В. Сказочкин,
к. ф.-м. н., доцент кафедры
экономики и менеджмента
Калужского филиала РАНХиГС,
зам. генерального директора
по развитию, науке и инновациям
avskaz@rambler.ru
ООО «Научно-производственное объединение «Геоэнергетика»
Статья посвящена такой общегосударственной проблеме как повышение ресурса деталей, узлов и механиз-
мов, используемых в различных отраслях промышленности, за счет повышения их износостойкости. Показаны
возможности, не имеющей аналогов в мире новой технологии создания минеральных слоев на металлической по-
верхности, придающей рабочим поверхностям деталей такие свойства, как износостойкость, жаростойкость,
коррозионная стойкость, абразивная стойкость, снижение коэффициента трения. Детали с минеральными
покрытиями «НПО «Геоэнергетика» хорошо работают в морской воде, соляном тумане, сероводороде, повы-
шенной влажности, абразивной пыли, других агрессивных средах, при термоциклических нагрузках в широком
диапазоне температур. Анализируются особенности технологии создания минеральных покрытий малым пред-
приятием, сегменты рынка, на которых уже используется технология и возможно активное использование, воз-
можности масштабирования, новые объекты применения. Особый акцент сделан на исследовании параметров
создаваемых минеральных слоев и процессе коммерциализации технологии. На конкретных примерах показана
значительная роль такого института развития, как Фонд содействия развитию малых форм предприятий в
научно-технической сфере в реальном секторе экономики.
Ключевые слова
: инновации, технология минеральных покрытий, износостойкость, малое предприятие, коммерциализация.

96
ИННОВАЦИОННАЯ РОССИЯ
ИННОВАЦИИ
№ 12 (206), 2015
Проблемы и опыт развитие экономики любой страны и ее конкуренто- способность.
Как следствие, для России в целом, затраты на преодоление износа техники составляют сотни мил- лиардов рублей, включая преодоление последствий аварий и техногенных катастроф. Эта проблема при- суща всем странам мира, в частности, только в США экономические потери из-за повышенного износа узлов механизмов и коррозии оцениваются в сумму около $300 млрд в год. Сравнимые потери характерны и для стран Европейского Союза.
Ситуация усугубляется, когда детали, даже обла- дающие достаточными физико-механическими свой- ствами, работают в агрессивных средах (морская вода, соляной туман, сероводород, абразивные смеси и т. д.), что является типичным случаем для многих отраслей промышленности и различных видов транспорта.
Причина низкого ресурса деталей и других элемен- тов конструкций, в значительной степени может быть связана с износом и коррозионным повреждением их поверхностных слоев. Для устранения и/или торможе- ния процессов, протекающих на границе металл-среда и негативно воздействующих на работоспособность материалов, применяют различные виды поверхност- ной обработки.
До последнего времени основными направлениями по борьбе с изнашиванием в машиностроении были по- вышение твердости поверхностей трущихся деталей и создание покрытий. Разработаны, хорошо исследованы и получили широкое распространение такие методы повышения твердости деталей как азотирование, це- ментация, другие методы модифицирования поверх- ности, а также методы создания покрытий, защитных пленок и слоев гальваническими методами, методами термической обработки, ионно-плазменной обработки, микродугового оксидирования, газоплазменного на- пыления и другими. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки, а также ограничения применения. К достоинству многих из этих методов можно отнести относительно невысокую стоимость, к недостаткам — проблемы адгезии, появление дефектов, ограничения, накладываемые размером ванн, печей, вакуумируемого пространства, изменение геометрии детали после обработки.
Защита материалов от износа и коррозии, сниже- ние трения пар материалов путем нанесения защитных покрытий или же модификации поверхности является одним из важных направлений развития материалове- дения, успешное продвижение по которому позволяет значительно уменьшить расход металлов, повысить качество и долговечность работы оборудования, существенно увеличить производительность труда, сэкономить материальные, трудовые и энергетические ресурсы. Каждый из перечисленных методов защиты материалов от износа по разным причинам имеет свою нишу во многих технологических процессах.
Но оказалось, что существует технология и общие подходы к изменению поверхности, которые не имеют указанных выше недостатков, а параметры износостой- кости, коррозионной стойкости, антифрикционные свойства, особенно в агрессивной среде для многих пар трения, значительно превосходят лучшие результаты, созданные традиционными способами.
Разработанная в НПО «Геоэнергетика» ориги- нальная технология создания модифицированных минеральных слоев представляет собой комплексную технологию формирования поверхностей пар трения механических систем, основанную на использовании нового класса конструкционных материалов — мине- ралов природного происхождения, после специальной обработки приобретающих высокую термодинамиче- скую устойчивость [1]. Использование минеральных слоев (минеральных покрытий) на различных дета- лях: узлах подшипников скольжения, шейках валов, деталях зубчатых зацеплений в редукторах, роликах прокатного оборудования показало прекрасные
Рис. 1. Титановый шток с минеральным покрытием (фото НПО «Геоэнергетика»)

97
ИННОВАЦИОННАЯ РОССИЯ
ИННОВАЦИИ
№ 12 (206), 2015
Проблемы и опыт эксплуатационные характеристики [2, 3]. Применение минеральных покрытий на узлах, агрегатах, деталях, сокращает энергопотребление и повышает энергоэф- фективность производства за счет увеличения срока службы деталей и повышения эффективности их работы. Анализ опыта применения минеральных по- крытий на некоторых предприятиях России показал не только значительную экономию средств и ресурсов, но и возможность обретения предприятиями решающего конкурентного преимущества.
Как показывает международный опыт нашего сотрудничества, а также заключения экспертов, в на- стоящее время подобной технологии нет больше ни у кого, ни в России, ни в Европе, ни, вероятно, в других странах мира.
1. Технология
В период 2008-2013 гг. в России была создана основа оригинальной технологии модифицирован- ных минеральных слоев (покрытий) для повышения износостойкости металлических деталей [1]. Первые исследования были выполнены для деталей турбин- ного и насосного оборудования. Однако оказалось, что минеральные покрытия осуществляют защиту от изнашивания деталей эксплуатируемых механических систем любого назначения [2, 3].
Природные «зеркала скольжения» пластов горных пород явились прототипом покрытий, формируемых на поверхностях пар трения. Исторически первыми минералами, которые начали широко применяться в целях уменьшения износа деталей машин, были серпентины [5]. Серпентины — группа минералов подкласса слоистых силикатов, включающая различ- ные структурные модификации и политипы состава
Mg
3
[Si
2
О
5
] (OH)
4
. Обычно в серпентине присутству- ют примеси Fe
2+
, Fe
3+
, Al, Ni, иногда Ti, Mn, Ca [6]. Сер- пентины являются наиболее распространенными, но не самыми эффективными по своим характеристикам минералами, применяемыми для создания прочных по- крытий металлических изделий [5]. Для промышлен- ного применения используют серпентиниты — горную породу, состоящую преимущественно из минералов группы серпентина и различных примесей [6].
В настоящее время используются некоторые виды минеральных материалов, позволяющие резко снижать механические потери в парах трения, обеспечивать антикоррозионную стойкость и хорошее обтекание поверхностей. Виды используемых материалов опреде- ляют по количеству и составу примесей, структурно- фазовому состоянию входящих компонентов и ряду других признаков [5, 7]. В то же время требуется понимание физических процессов, происходящих на поверхности конструкционных материалов (сталей, сплавов) при создании минеральных покрытий для прогнозирования их поведения в парах трения раз- личных деталей, узлов и механизмов, а также для модернизации технологии. Исследователям и инже- нерам, работающим с минеральными покрытиями, приходится учитывать особенности каждой из базовых отраслей, учитывать специфику материалов, среды и особенностей эксплуатации в энергетике, химическом машиностроении, судостроении, автомобильной про- мышленности (рис. 2).
Технология минеральных покрытий представляет собой совокупность технических приемов формирова- ния поверхностей пар трения механических систем, основанную на использовании минералов природного происхождения и использовании новых методов фор- мирования поверхностного слоя деталей, в том числе процессов, охраняемых в режиме ноу-хау. Технология формирования минерального слоя заключается в про- цессе создания минерального слоя на поверхности детали с помощью метода электроискрового легиро- вания, ультразвуковой установки, используя нанопо- рошки, размеры структурных элементов которых не
Рис. 2. Ролики привалковой арматуры с минеральным покрытием (фото НПО «Геоэнергетика»)

98
ИННОВАЦИОННАЯ РОССИЯ
ИННОВАЦИИ
№ 12 (206), 2015
Проблемы и опыт превышают 100 нм, с одновременным пластическим деформированием поверхностных слоев, что приводит к значительному улучшению их основных характери- стик и свойств.
Огромную роль в становлении технологии сыграл
Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Активные взаимоотно- шения с Фондом развития у НПО «Геоэнергетика» начались в 2011 г., когда предприятие стало призером совместного конкурса германо-российских исследова- тельских проектов, организованного Международным бюро Федерального министерства образования, нау- ки, исследования и технологий Германии (BMBF) и
Россий ским фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. НПО «Гео- энергетика» получило грант на выполнение научно- исследовательского проекта «Разработка минераль- ных покрытий для поверхностей пар трения деталей турбинного и насосного оборудования». Длительность проекта — с января 2011 по сентябрь 2013 гг., проект успешно завершен. С немецкой стороны партнером проекта выступал Федеральный институт исследова- ния и тестирования материалов (Federal Institute for
Materials Research and Testing, ВАМ).
На рис. 3 представлены результаты исследования степени износа поверхности колец серии РТ (РТ-502,
РТ-503, РТ-504 и РТ-201, РТ-202, РТ-203) из стали марки 12Х13 с минеральными слоями, которые сравни- ли со степенями износа поверхности необработанных колец из стали 12Х13, стали 20Х13 и колец из серого литейного чугуна европейской марки «GGL20HCN» с высоким содержанием углерода (3,7 весовых процента углерода и 2,0 весовых процентов кремния), который обычно применяется для изготовления гильз цилин- дров и тормозных дисков.
Создание минеральных слоев на поверхности колец серии РТ позволила получить степень износа на два порядка ниже, чем у стандартных образцов из серого литейного чугуна и необработанных колец из стали 12Х13 и 20Х13.
В результате выполнения проекта была модер- низирована технология по локальному упрочению, закаливанию и микролегированию металлической по- верхности различных деталей [3]. НИОКР позволила лучше понять механизм работы технологии, тем самым подготовив базу для широкомасштабного индустри- ального применения. Авторитет ВАМ как независимой экспертной исследовательской организации, сыграл огромную роль в дальнейшей коммерциализации результатов НИОКР в России и Европе, расширении перечня отраслей, использующих износостойкие ми- неральные покрытия.
На рис. 4 и 5 отчетливо видно, что после 10 млн циклов экспериментов на истирание при скольжении–
качении, поверхности, подвергающиеся трению стали более гладкими. Вероятно, что технология создания тон- кого модифицированного слоя на поверхности металла, приводящая к его локальному упрочнению и высокой твердости [3, 4, 8], обусловила хорошее сопротивление трению скольжению–качению образцов из сталей
12Х13 и ШХ15 (российский аналог стали немецкой стали 102Cr6), что, возможно, обусловлено общими остаточными компрессионными напряжениями.
Микроструктурные исследования показали
(рис. 6), что наблюдается поверхностный слой с четко отличной от объемного зернистой структурой.
Осуществляемый технологический процесс не создает покрытия, но изменяет или преобразует существую-
Рис. 3. Коэффициенты объемного износа поршневых колец, выполняющих скользящее перемещение при смешанных условиях смазки по чугуну и обработанной НПО «Геоэнергетика» стали 12Х13 в машинном масле (F
N
= 50 Н; v = 0,3 м/с; T
масла
=170°C;
s =24 км). Скобкой и надписью «X12Cr13» обозначены результаты, полученные для поршневого кольца стали
12Х13 (Х12Cr13) без какой-либо обработки [8].
Исследование выполнено совместно с ВАМ, Германия
Рис. 4. Выполненный с помощью оптического микроскопа снимок следа износа обработанной стали 12Х13
(Т = 120°C, Р=1,5 ГПа, 10 млн циклов, скольжение–качение) [8]. Исследования выполнены совместно с ВАМ, Германия

99
ИННОВАЦИОННАЯ РОССИЯ
ИННОВАЦИИ
№ 12 (206), 2015
Проблемы и опыт щую поверхность металлической детали. Локальная обработка по разработанной технологии не нагревает исследуемые образцы, сохраняет их размеры и дает возможность обработки только тех участков, которые подвергаются трению [4, 9].
В 2012-2015 гг. исследования минеральных сло- ев были также проведены совместно с РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина и Московским институтом электроники и математики НИУ ВШЭ. Научно- исследовательские работы «Проведение сравнитель- ных испытаний по оценке износостойкости резь- бового соединения насосно-компрессорных труб»,
«Исследование механических свойств поверхности втулки, после нанесения минерального покрытия»,
«Определение износостойкости покрытий при тре- нии скольжении» позволили определить некоторые свойства минеральных слоев, отработать применение технологии на сложных поверхностях.
Результаты, полученные при проведении ис- следований, дают, например, производителям труб, использующих технологию минеральных покрытий, возможность для качественного улучшения параме- тров труб и муфт к ним, и активной конкуренции с другими производителями, как на отечественном, так и на мировом рынках. В частности, у муфт с упрочняю- щим минеральным покрытием максимальная скорость изнашивания оказалась более чем на порядок меньше, чем у муфт без покрытия, а упрочняющее минеральное покрытие увеличивает износостойкость резьбового соединения к изнашивающим нагрузкам в 2,5-3,0 раза и может обеспечить прогнозируемое число циклов свинчивания–развинчивания до 100 циклов [10].
Общий вывод для коммерциализации результатов технологии: создаваемые минеральные покрытия уве- личивают износостойкость пар трения в 3-10 раз (до
50 раз для некоторых пар трения), обладают уникаль- ными триботехническими параметрами, выполняются, в том числе, на металлических деталях, работающих на водяной смазке, с наличием абразивных частиц, в режиме сухого трения [2-4, 8, 10].
2. Коммерциализация
В 2012-2015 гг. технология минеральных покрытий
НПО «Геоэнергетика» была выведена на российский и европейский рынки и сразу нашла применение в различных отраслях промышленности: металлургии, машиностроении, энергетике, судостроении, горнодо- бывающей промышленности, нефте- и газодобыче.
Рыночные возможности минеральных покрытий уникальны, потому что технология минеральных по- крытий «НПО «Геоэнергетика»:
Рис. 5. Выполненный с помощью оптического микроскопа снимок следов износа после скольжения–качения
(слева — поверхность образца из стали ШХ15 без минерального покрытия; справа — цилиндрический образец из стали
ШХ15 с минеральным покрытием; Т = 120°C, Р = 1,5 ГПа, 10 млн циклов, скольжение–качение) [8].
Исследования выполнены совместно с ВАМ, Германия
Рис. 6. Поперечное сечение обработанного образца из стали 12Х13 (микроснимок получен методом трансмиссионной электронной микроскопии; сечение получено с помощью сфокусированного ионного пучка) [4].
Исследования выполнены совместно с ВАМ, Германия