Спящее лидерство

Елена Куликова
1 февраля 2010, 00:00

Задел, созданный советскими учеными, может помочь России стать мировым лидером в одном из самых динамичных сегментов рынка упрочняющих технологий — в сфере алмазоподобных покрытий. Но для этого спрос на них должны обеспечить российские предприятия

В конце 1960-х годов американские физики Сол Айзенберг и Рональд Шабот сказали новое слово в области упрочняющих технологий — первыми в мире нанесли на подложку алмазоподобное покрытие. Тонкая углеродная пленка состояла из алмазоподобных (sp3) и графитоподобных (sp2) связей, объединенных в аморфную структуру. Первые сообщали ей твердость алмаза, вторые — скольжение графита. Это открывало широчайшие возможности для исполь­зования DLC-покрытий (diamond-like coating) в тех отраслях промышленности, где требовалось увеличить прочность рабочего инструмента и снизить трение между деталями. Однако метод Айзенберга и Шабота отличался низкой скоростью осаждения углерода на подложке, и его прикладное применение было малоэффективным.

В начале 1980-х группа белгородских физиков под руководством Анатолия Маслова разработала метод импульсного вакуумно-дугового напыления алмазоподобных покрытий. Микротвердость и коэффициент трения полученных пленок оказались максимально близки к свойствам алмаза, а скорость напыления позволила работать с технологией в промышленном масштабе. Белгородцы разработали установку для нанесения DLC-покрытий, которая до сих пор остается одной из лучших в мире. На этих установках, завезенных в середине 1990-х в Японию и Южную Корею, и по сей день работают эмигрировавшие российские ученые.

У нас в стране технологию продвигают две небольшие компании — «Специальные технологии» в Екатеринбурге и СКИФ-М в Белгороде, но их развитие тормозится последствиями промышленного спада конца прошлого века и нынешней инертностью российских предприятий в части повышения производительности труда. Запаса прочности, созданного 30 лет назад советскими физиками, с лихвой хватит для возврата страны на позицию мирового лидера в области DLC, но лишь при условии, что менеджмент наших «заводов и пароходов» станет восприимчивее к реальному внедрению инноваций.

Электродуговой против газофазного

Созданию советской технологии нанесения алмазоподобных покрытий предшествовало другое научное открытие мирового уровня — разработка первого в мире физического метода нанесения упрочняющих покрытий на различные виды поверхностей в противовес существовавшим тогда химическим способам. Авторами технологии были ученые Харьковского физико-технического института (ХФТИ), и именно на ее основе белгородцы придумали новый метод напыления DLC.

Есть такая легенда: в начале 1970-х годов в одной из лабораторий харьковского Физтеха взорвался вакуумный насос, сконструированный учеными в поиске наиболее эффективного решения для откачки воздуха. Между титановым катодом и анодом, функцию которого выполняли стенки насосной камеры, пропускался электрический вакуумно-дуговой разряд. Катод распылялся в виде плазмы, и ионы титана осаждались на охлаждающую панель, заполненную жидким азотом. «Остывший» титан адсорбировал из воздуха остаточные газы, создавая вакуум.

Видимо, в результате взрыва охлаждающая панель была повреждена, и титан вступил во взаимодействие с азотом. На стенках насосной камеры образовался нитрид титана, который ученые совершенно случайно обнаружили в виде твердого слоя золотистого цвета. В то время его уже использовали в промышленности в качестве упрочняющего покрытия, но наносили исключительно химическим способом — так называемым газофазным методом. Однако он требовал нагрева покрываемой детали до 600–800 °С, а такую температуру мог выдержать исключительно твердосплавный инструмент.

Случайная же находка советских физиков показала, что нитрид титана можно получать с помощью электрического дугового разряда. Тогда харьковчане разработали собственную технологию. Они попробовали распылять титановый катод с помощью вакуумно-дугового разряда с одновременной подачей в камеру газообразного азота. Отныне детали в зависимости от типа покрытия можно было нагревать менее чем до 100 °С, что значительно расширило сферу применения новой технологии. Но главная ценность харьковской разработки заключалась в том, что она положила начало новому и чрезвычайно перспективному направлению в области упрочняющих технологий — физическим методам нанесения покрытий (physical vapor deposition, PVD).

Примерно до конца 1980-х годов у Советского Союза был приоритет в этой области. Он бы сохранялся и дальше, если бы решением советского Министерства электронной промышленности лицензия на использование технологии и все чертежи разработанной для нее установки не были проданы в США. Технология была фактически подарена, и, как следствие, сегодня доля России на мировом рынке PVD-покрытий, оцененном в 2007 году в 9 млрд долларов, не превышает нескольких процентов.

Все дело в импульсах

Внедренные в екатеринбургской компании «Специальные технологии» и белгородской СКИФ-М разработки также выросли из харьковских проектов. В середине 1970-х в конструкторском бюро при заводе «Ритм» в Белгороде, на котором производился инструмент для микроэлектронной промышленности, был сформирован отдел, занимавшийся упрочняющими технологиями. Возглавлял его выпускник харьковского Физтеха Анатолий Маслов, теперешний начальник лаборатории вакуумных технологий СКИФ-М.

«У нас в отделе было много выпускников ХФТИ, и мы поддерживали тесное общение с теми, кто работал в институте, — вспоминает он. — Когда мы приезжали в Харьков, ребята показывали свои наработки. Как раз одной из них был открытый ими способ напыления нитрида титана с помощью вакуумно-дугового разряда. Вместо титана они попробовали распылять графит, и им удалось получить алмазоподобные покрытия. Но у этой технологии было несколько недостатков. Во-первых, стационарный вакуумно-дуговой разряд не позволял добиться такого уровня энергии ионов углерода, который приводил бы к образованию достаточного количества алмазоподобных связей, сообщавших покрытию высокую микротвердость. Во-вторых, постоянный разряд не позволял как следует контролировать температуру на подложке. Мы же искали упрочняющую технологию для лезвийного инструмента, а любой перегрев такого инструмента приводил к потере его рабочих свойств».

Белгородцы нашли решение обеих проблем: вместо стационарного стали использовать импульсный вакуумно-дуговой разряд, и родилась новая технология напыления алмазоподобных пленок.

«С помощью импульсного разряда мы могли также регулировать толщину покрытия: чем меньше импульсов подаем, тем тоньше покрытие и наоборот», — говорит Александр Колпаков, руководитель лаборатории по проблемам разработки и внедрения ионно-плазменных технологий при Белгородском государственном университете, давнишний коллега Маслова по КБ завода «Ритм».

Свойства алмазоподобных покрытий, полученных с помощью технологии импульсного вакуумно-дугового разряда, оказались максимально близки к свойствам алмаза по прочности и свойствам графита по скольжению: плотность — около 3,2 г/см3, микротвердость — 80–100 гигапаскалей и коэффициент сухого трения — около 0,1 (у алмаза эти показатели равны 3,5 г/см3, 100 ГПа и 0,1 соответственно). За 30 лет, прошедших с момента разработки технологии белгородцами, никому в мире не удалось повторить их достижение.

Оружие и патроны

В университетской лаборатории Александра Колпакова сейчас работает установка, спроектированная белгородцами для напыления DLC в 1985 году и получившая типичное советское название — УВНИПА. На ней Колпаков напыляет DLC на микрозонды отечественных микроскопов производства зеленоградской компании НТ-МДТ, большая часть которых идет на экспорт.

Еще четыре установки есть у белгородской компании СКИФ-М, выпускающей металлорежущий инструмент. СКИФ-М — один из немногих, если не единственный российский производитель фрез, поставляющий свою продукцию за рубеж. К примеру, фрезы для работы с титановыми сплавами, режущие пластинки которых покрыты DLC по белгородской технологии, у компании покупает бельгийский завод авиагиганта Airbus, хотя инструмент компании дороже, чем у конкурентов.

Правда, в компании к покрытиям тоже пришли не сразу. «Большую часть своей жизни мы занимались “оружием”, тем, что я называю стрелковой частью, — мы создавали фрезы. Но корпус фрезы — это сложная механическая конструкция, которая сама ничего не режет, она несет режущий элемент — пластинки, патроны для нашего “оружия”. В России их изготовлением всегда занимались цветные металлурги, а наши западные конкуренты и фрезы, и пластинки всегда делали сами. Так как мы замахнулись на то, чтобы попасть в число лидеров, мы должны были последовать их примеру, делать пластинки самим и наносить на них покрытия», — поясняет генеральный директор СКИФ-М Александр Москвитин.

Помимо первоклассных фрез для работы с титановыми сплавами в компании научились делать одни из лучших в мире фрез для работы с никелевыми сплавами, где на режущие пластинки также нанесена алмазоподобная пленка. Толщина покрытия всегда зависит от назначения инструмента: с каким сплавом ему работать, при какой температуре и скорости вращения. А от толщины зависит цвет покрытия. Традиционно DLC-покрытия темно-серого или черного цвета, а у фрез для работы с никелем — зеленого. «Изначально мне хотелось просто отличаться от конкурентов: все серые, черные, а мы будем зелеными. Совершенно случайно выяснилось, что зеленое покрытие получается при такой толщине алмазоподобной пленки, которая больше всех других улучшает износоустойчивость фрез по работе именно с никелевыми сплавами», — улыбается гендиректор СКИФ-М.

Сейчас в компании работают над тем, чтобы вернуть к жизни четвертую установку УВНИПА. Дело в том, что до развала СССР таких установок успели произвести всего около сотни. Большинство из них простаивает на умерших советских заводах, потихоньку превращаясь в металлолом. В компании Москвитина их реанимируют и наращивают производство фрез с DLC-покрытиями. Схожая задача и у «Специальных технологий» из Екатеринбурга. В их распоряжении две советские установки, которые генеральный директор компании Виталий Беляев отыскал в маленьком городке Ленинградской области на заброшенном заводе.

«Мы предложили свои услуги производителям инструментов, но им это не нужно. А конечный потребитель слишком инертен»

Углерод против подсолнечного масла

В середине 1980-х белгородской технологией напыления DLC заинтересовались в Институте физики металлов Уральского отделения РАН в Екатеринбурге. Институт приобрел установку, и группа исследователей под руководством Ильи Трахтенберга занялась поисками прикладного применения технологии.

«Я считаю, что это до сих пор лучшая технология нанесения DLC-покрытий из всех, что существуют в мире, — уверен уральский ученый. — Но одно дело создать технологию, другое — найти ей применение. Как раз этим мы и занимались».

Тогда же екатеринбуржцы запатентовали технологию напыления алмазоподобных пленок на магнитные головки, увеличивая срок их службы в несколько раз. В России продать технологию производителям магнитофонов не удалось, зато в 1994 году ею заинтересовалась компания Samsung Electronics.

В то время южнокорейский гигант начал производство недорогих видеомагнитофонов для стран Юго-Восточной Азии, но чуть было не потерпел фиаско. Дешевую технику покупали бедные семьи, жившие в лачугах, где кухня и жилые комнаты были, как правило, одним и тем же помещением. При приготовлении пищи на подсолнечном масле нагар, поднимавшийся в воздух, оседал на считывающей головке видеомагнитофона, и через несколько месяцев она приходила в негодность. Технология нанесения DLC, разработанная уральцами, оказалась оптимальным решением. Графитоподобные связи пленки обеспечивали скольжение, которое предотвращало налипание нагара и увеличивало срок службы головки.

Несколько сотрудников Института физики металлов уехали в Южную Корею внедрять технологию в производство, параллельно совершенствуя ее. «У технологии, которую разработали в Белгороде, был недостаток — плохая адгезия, то есть прилипание. Наносимая пленка могла тут же свернуться, сползти с подложки, — рассказывает Андрей Давлетшин, один из ученых, работавших в Южной Корее. — Мы решили попробовать послойное напыление — чередовать слои углерода со слоями титана. Таким способом мы могли получать даже очень толстые алмазоподобные пленки».

 pic_text1 Фото: Андрей Порубов
Фото: Андрей Порубов

В конце 90-х модернизированной технологией заинтересовался Кенсуке Уемура, основатель небольшой японской компании Itac, созданной специально для внедрения российских разработок в Японии. Он ездил по России в поисках технологий с перспективой продаж в 10–20 млн долларов, но с высокой маржей. По договоренности с институтом две установки УВНИПА отправились в Японию вместе с командой уральских физиков, среди которых были Андрей Давлетшин и Виталий Беляев. Там DLC-покрытия пробовали напылять практически на все: от ложек для домов престарелых (за счет скользкости покрытия на ложки не налипали остатки пищи) до металлорежущего инструмента компании Mitsubishi Carbide. Последняя пользуется этой технологией до сих пор.

Несколько лет назад российские ученые начали возвращаться домой. В 2002 году Виталий Беляев основал в Екатеринбурге компанию «Специальные технологии» для внедрения российских разработок в собственной стране. Начал он с жидкокерамического теплоизоляционного покрытия, продажи которого легли в основу финансового благополучия компании. В 2005 году к Беляеву присоединился Андрей Давлетшин, и в компании запустили второй проект — нанесение DLC-покрытий.

От скальпеля к полупроводникам

За три года у «Специальных технологий» появился только один постоянный клиент — Уральский завод газовых центрифуг, которому в компании напыляют алмазоподобное покрытие на сверла. Больше года назад пробную партию сверл сделали для авиастроительного завода «Иркут». Самолетостроителям понравилось: износоустойчивость инструмента выросла раз в десять. Завод заказал еще партию, но уже несколько месяцев она лежит неиспытанная на складе. Осенью 2009 года в компании напылили покрытия на хирургические скальпели и хирургические ножницы для уфимского завода «Медтехника». «Две половинки хирургических ножниц соединяет маленький болтик. Через некоторое время пользования инструментом на болтике стачивается тонкий слой металла, и ножницы начинают резать гораздо хуже, а ведь от того, насколько врачу удобно работать ими, зависит человеческая жизнь», — поясняет Виталий Беляев. Но в Уфе результаты испытания инструмента пока не получены.

«Мы предложили свои услуги производителям инструментов, но столкнулись с тем, что им это не нужно, — сокрушается гендиректор “Специальных технологий”. — У них есть определенный интерес в том, чтобы инструмент изнашивался быстрее, тогда они могут наращивать производство. А конечный потребитель инструмента, такой как “Иркут”, слишком инертен. Процесс принятия какого-нибудь решения на огромных производствах занимает, как мы убедились, годы».

По мнению гендиректора компании СКИФ-М Александра Москвитина, от менеджмента действительно зависит очень многое. «Нас приучили к тому, что лучшее делают за рубежом, но это не так. Мы уже поставляли фрезы для Airbus, а российский “Иркут” в это же время закупал фрезы наших конкурентов и с большой настороженностью отнесся к нам, когда мы туда приехали. Не надо смотреть на этикетку, надо смотреть на качество», — уверен он.

Рынок алмазоподобных покрытий — один из наиболее быстрорастущих сегментов глобального рынка PVD-покрытий, что обусловлено разнообразием возможностей в отношении сфер их применения. «Алмазоподобные пленки можно использовать в автомобилестроении для снижения трения некоторых деталей и в деревообработке, так как многие технологические процессы в этой отрасли связаны с налипанием смол, а данная технология помогает избежать этого», — считает директор Всероссийского научно-исследовательского инструментального института Георгий Боровский. По словам Ильи Трахтенберга, в Институте физики металлов продолжают искать применение технологии в области медицины и биотехнологий. «Поскольку алмазоподобные пленки обладают почти такой же теплопроводностью, как алмаз, уже есть идеи использовать их в полупроводниковой промышленности», — обозначает еще одно направление Андрей Давлетшин.

Благодаря разработке белгородских физиков и ее развитию уральскими учеными в докладе исследовательской компании BCC Research Россия наравне с Японией названа одним из мировых лидеров в области DLC-технологий 1990-х годов. В начале 2000-х лидерство захватили США. Однако научный приоритет по-прежнему остается за нашей страной. Теперь нужно, чтобы промышленность откликнулась на призыв внедрения инновационных технологий в производство. В этом случае мы можем стать лидерами в динамично развивающейся области.