| В Нижегородской губернии разработали первую в мире вакуумную технологию нанесения нанопокрытий, пригодную для массового производства На интервью с нами руководитель фирмы «Элан-Практик» немного опоздал. «Который месяц бьюсь с ОВИРом, никак не могу сделать заграничный паспорт», — извиняясь за задержку, объяснил он. «Неужели у вас не было до этого загранпаспорта?» — не поверил я. Пятидесятилетний Юрий Агабеков, последние десять лет ведущий вполне успешный, хотя и небольшой бизнес, на самом деле собирался в первую в своей жизни заграничную поездку — в Бирмингем на Design Engineering Show. Бесплатное участие в проходящей на этой неделе в Англии промышленной выставке — премия Британского совета, которую компания «Элан-Практик» из города Дзержинска Нижегородской области получила за победу во втором Конкурсе русских инноваций, организованном нашим журналом. Эксперты оценили первую в мире вакуумную технологию нанесения покрытий, пригодную для массового производства и обходящуюся при этом без вредной и опасной гальваники. Смерть гальванике Есть такой технический трюизм — рабочие характеристики любого изделия во многом зависят от качества обработки его поверхности. Для того чтобы растянуть на более или менее приемлемый срок службу металлических деталей, на их поверхность нужно нанести защищающий от ржавчины слой более устойчивого к коррозии вещества. Самый распространенный сейчас метод нанесения таких покрытий — гальванический (осаждение металлов из растворов солей под действием электрического тока) изобрел еще в конце 30-х годов XIX века Борис Якоби. Занимаясь улучшением существовавших в то время гальванических источников питания, русский ученый обнаружил, что медь, осаждаемая из электролита на катод, повторяет форму самого электрода. Позже открытие Якоби нашло применение во множестве технологий, напрямую не связанных с электротехникой. Без гальваники не обходятся десятки тысяч современных производств: от очистки металлов от сопутствующих примесей до выпуска различных пресс-форм. Антикоррозийного и упрочняющего покрытия требуют корпуса автомобилей, часов, оправы очков, различная фурнитура и бижутерия. Но вот беда: шестивалентный хром, наиболее часто применяемое в гальванике антикоррозийное покрытие, официально признанный канцероген; в черный список веществ, которым отказано в длительном контакте с человеческой кожей, внесен и часто используемый для защиты поверхностей никель. А, например, при гальваническом золочении изделия приходится окунать в ванну, наполненную растворенными в сильной кислоте цианидами. Бороться с гальваникой всерьез начали в конце 60-х годов. Именно тогда были разработаны так называемые вакуумные PVD-технологии (PVD — Physical Vapour Deposition, буквально — физические методы осаждения напыляемого вещества из пара). PVD-покрытия получают различными способами. Например, термическим испарением металлов за счет нагрева до высоких температур. Правда, пленка при этом наносится очень медленно, к тому же из-за недостаточной энергетики она получается «рыхлой» — в ее атомной структуре остаются пустоты, быстро сводящие на нет упрочняющие и антикоррозийные преимущества покрытия. При электронно-лучевом испарении на материал мишени воздействуют высокоэнергетическим пучком электронов, но из-за дороговизны сфера применения этой технологии ограничивается только оптикой. В 70-е годы в Харьковском политехе впервые была разработана еще одна вакуумная технология — способ электродугового испарения материала — и созданы установки серии «Булат». Они предназначались для получения сверхтвердых упрочняющих покрытий для различных изделий машиностроения: режущего инструмента, штампов, пресс-форм. Американская компания Multiarch, крупнейший современный производитель вакуумного оборудования, как раз начала свою деятельность с того, что сразу же купила лицензию на установку «Булат» и теперь создает на ее базе уже пятое поколение машин. Но и этот способ оказался слишком дорогим для массовых производств. В самых капиталоемких сегментах мировой индустрии нанесения покрытий гальванике замены не нашлось. Между тем альтернативная технология на основе еще одного вакуумного прибора — несбалансированного магнетрона, сконструированного умельцами из «Элан-Практика», — уже внедрена на нескольких российских предприятиях. «Нас вытащили зубы» Растяпино (нынешний Дзержинск) вырвалось в мировые лидеры вакуумных технологий в первую очередь благодаря тому, что в городе находится НИИ машиностроения. В 80-х годах этот суперсекретный институт стал монополистом в разработке неядерных боевых частей для ракет. Для анализа результатов испытаний ГосНИИмашу оказались нужны тонкопленочные датчики тепловых потоков. Но качество поставляемых тогда из Алма-Аты и Черноголовки датчиков не устроило дзержинских ракетчиков, и они решили поработать над ними сами. Юрия Агабекова, заведовавшего в институте лабораторией физики горения и взрывов, увлекла абсолютно новая для него задача. Для повышения эффективности поверхностного слоя датчика пришлось с головой уйти в PVD-технологии и стать в этой области специалистом. К началу 90-х оборонный заказ окончательно обвалился, и, по словам заместителя директора по развитию «Элан-Практика» Андрея Федотова, институтское начальство честно предложило сотрудникам «искать практическое применение накопленному научному заделу в мирных целях». Семь человек, представлявшие все направления деятельности НИИмаша (от ведущего конструктора боевых частей до разработчиков алгоритмов), посовещавшись, объединились в группу и решили продолжить успешно начавшиеся исследования в области новых технологий нанесения покрытий. Позже эти семеро и образовали костяк будущей компании. К развалу Союза коллектив успел сделать не так уж мало — был в корне модернизирован «Булат» и накоплен какой-то опыт работы с вакуумными магнетронными технологиями. Довольно быстро они нашли свою нишу на рынке. «Нас вытащили зубы. Зубопротезирование — это вечная отрасль и вечный источник дохода, — говорит Юрий Агабеков, — и я знаю по опыту, что напыление нитрида титана на протезы выручило в девяностые годы не одного вакуумщика. Ведь чаще всего наши соотечественники выбирают для замены выпавших и выбитых зубов не металлокерамику, а дешевые стальные коронки, которые для долговечности надо покрывать специальным защитным слоем». Конкуренты, как и Агабеков, пытались делать покрытия на «Булатах», но защитный слой, наносимый модернизированным в ГосНИИмаше «Булатом», многократно превосходил по качеству то, что удавалось сделать другим вакуумщикам, и те уже через год остались не у дел. К 1994 году «Элан-Практик» выбил всех конкурентов, и перед дверями компании выстроилась очередь зубных техников со всего Дзержинска и предместий. Подбрасывали «Элан-Практику» работу и местные пижоны на «девятках», не желавшие прислушиваться к мнению специалистов: тонированные в вакууме стекла не продержатся долгое время. Дзержинск захлестнула вакуумная мода. Зубной бизнес и тонирование стекол могли обеспечить вполне безбедное существование, но бывшие вэпэкагдники то ли по привычке, то ли по зову сердца решили разрабатывать новое направление. «Да ведь стало просто скучно, — признается Юрий Агабеков, — и после недолгих споров мы решили инвестировать часть доходов в то, что нас к этому времени жутко увлекло, — технологии напыления покрытий с помощью несбалансированного магнетрона». Как взбодрить ленивый атом Принцип действия всех магнетронов основан на скрещении магнитного и электрического полей. Электроны сначала ускоряются электрическим полем, затем тормозятся перпендикулярным магнитным. В классических магнетронах электрон, тормозя, отдает свою энергию полю, в результате чего генерируется СВЧ-излучение. В сбалансированных магнетронах энергия электронов идет не на генерацию СВЧ-излучения, а на ионизацию рабочего газа. Положительные ионы газа, разгоняясь полем, начинают бомбардировать отрицательно заряженные мишени — емкости с веществом, которым предстоит покрыть изделие. Вырванные в результате этой бомбардировки из мишени атомы попадают на поверхность изделия (подложку), образуя на ней защитный слой. Проблема с технологиями напыления в сбалансированных магнетронах состоит в том, что энергия атомов, вырванных из мишени, очень невелика. Они подлетают к подложке практически с тепловой скоростью и «лениво» садятся на поверхность где придется. В результате у покрытия рыхлая структура, множество пор, и его свойства с потребительской точки зрения не слишком привлекательны — никакой прочности, никакой коррозионной стойкости. Другое дело несбалансированный магнетрон. Благодаря конфигурации поля ионы не только вышибают атомы из мишени, но и продолжают атаковать их уже после того, как они достигли подложки. Ионная бомбардировка вынуждает «ленивые» атомы мишени метаться по подложке в поисках наиболее выгодных с энергетической точки зрения мест. Структура покрытия получается плотной. Более того, управляя полем и подпуская в камеру новый газ, можно слоями наносить на подложку различные вещества, образуя композитные покрытия. «Благодаря такой схеме мы получаем не только намного более плотную структуру покрытия, чем на сбалансированном магнетроне, — объясняет Юрий Агабеков, — за счет высокой энергетики появляется дополнительная возможность проводить плазмохимические реакции. Если вместо аргона напустить в камеру с титановой мишенью реактивный газ, например азот или метан, то образующиеся положительные ионы N2 или СН, бомбардируя поверхность подложки, вступят в реакцию с титаном, образуя нитрид или карбид титана — то есть очень твердую тонкопленочную керамику». Естественно, можно менять и мишени. Так что благодаря несбалансированному магнетрону можно синтезировать практически любые новые материалы и наносить их на самые разные изделия — от оправ очков до режущего инструмента. Все эти преимущества очевидны теперь, когда создается уже четвертое поколения УНИПов (устройство напыления ионных покрытий), тогда же, в 1993—1994 годах, специалистам «Элан-Практик» ионное напыление виделось сплошной чредой труднорешаемых технологических проблем: нужно распылить атомы с достаточной энергетикой, затем их транспортировать на изделие и обеспечить хорошее сцепление, и главное, нужно, чтобы атомы на поверхности складывались в заданную структуру: аморфную, поли- или монокристаллическую, от которой, собственно, и зависят свойства покрытия — электрическое сопротивление, твердость, коррозионная и износостойкость. «Почему не отступились? Видимо, в этом преимущество дилетантов — мы не были зашорены опытом работы только с одной технологией, как другие вакуумщики, которые годами пашут одну и ту же ниву, мы не были увлечены ни лазерным распылением, ни дуговыми машинами, и у нас не было страха работать с нетрадиционными методами», — говорит Агабеков. Неспешная работа над новым напыляющим устройством превратилась в настоящий аврал после встречи с одним из руководителей Чистопольского часового завода (там изготавливают популярные «командирские» часы «Восток») на одной из конверсионных выставок. «Ребята, — честно сообщил он дзержинцам, — я каждый месяц плачу чудовищные для меня штрафы за слив остатков гальванического производства в Каму, к тому же покрытия, которые мы кладем на корпуса часов с этой гальваникой, — дерьмо. Денег на разработку не дам, но, если избавите меня от всего этого, обещаю, что куплю ваше оборудование». Столь сомнительное деловое предложение не смутило дзержинцев, они на свой страх и риск и на свои деньги довели и испытали свою первую машину, которая через год стояла в цехе татарского предприятия. Почти сразу был получен заказ еще на три машины, и через два года часовщики полностью демонтировали гальванические линии хромирования на своем заводе. В итоге модернизация производства обошлась чистопольцам вместо трех с лишним миллионов долларов — такую цену запрашивали с них западные поставщики за новую гальванику — всего в полмиллиона, а себестоимость нанесения покрытия в итоге уменьшилась в четыре раза. Замок мирового класса За часовщиками к дзержинцам потянулись производители очковой оправы, быстро смекнувшие, что вакуумные покрытия «Элан-Практик» сильно сократят издержки при производстве металлической оправы среднего и дорогого сегментов. В цехе «Элан-Практик» до сих пор делают, к примеру, декоративные покрытия для дорогих оправ компании Filos Group — третьей в Италии по производству этой продукции. Сейчас с ней ведутся переговоры о продаже целой линии. Впрочем, сами дзержинцы считают более важным своим достижением победу на другом рынке. В 2000 году началось их сотрудничество с одним из хорошо сохранившихся до наших дней монстров советского ВПК — Ковровским электромеханическим заводом, выпускающим системы гидравлики двойного назначения. Когда на заводе начали производить, со слов Агабекова, «мирового класса» замки из цинко-алюминиево-медного сплава (ДАМ), возникли проблемы с качеством покрытия. Помаявшись с другими вакуумщиками, они в конечном итоге обратились в «Элан-Практик». «Конечно, нас привлекла возможность получения контракта от большого и успешного предприятия, но, самое главное, перед нами была поставлена по-настоящему интересная в научном и технологическом плане задача, — увлеченно вспоминает Юрий Агабеков. — Дело было не столько в сложной геометрии покрываемого изделия, сколько в новом материале — ЦАМе, очень сложном в плане коррозийной защиты, по сравнению с ним даже латунь „командирских" часов просто божья благодать. До нас никто в мире и не брался решить такую задачу». Изделия из ЦАМа — огромный потенциальный рынок сбыта для магнетронного оборудования. К примеру, 90% недорогих гонконгских и китайских часов делают из этого доступного во всех отношениях сплава, и его применение растет в геометрической прогрессии. Чтобы разработать новую безгальваническую технологию покрытия ЦАМа, «Элан-Практик» потребовалось почти полгода работы, но ее результатом стал настоящий нанотехнологический прорыв. Покрытие, которое дзержинцы научили делать чистопольских часовщиков, состояло из двух слоев по 0,8 мкм (10^-6 м), для ковровских машиностроителей было создано композитное четырехкомпонентное покрытие, в котором чередуются слои, толщина которых на три порядка меньше — всего 5 нанометров (10 ^-9 м)! Вообще нанокомпозитное покрытие твердой керамики в мягкой матрице (например, в меди) — это своего рода железобетон, где армирующими элементами выступают нанозерна сверхтвердых материалов (нитридов и карбидов). Это одно из лучших упрочняющих покрытий для режущих инструментов, причем очень дорогое (стоимость его нанесения на современных аналогах «Булата» достигает сотен долларов за единицу инструмента). Его твердость одна из наивысших в промышленности — она превышает 3000 викерсов (предельная у алмаза — 10000) при температурной стабильности в 900-1000 градусов. Это один из самых желанных материалов в мировой металлообработке, где главной тенденцией является повышение интенсивности режимов работы инструмента — увеличение оборотов при резании без смазывающей и охлаждающей жидкости. На КЭМЗе сразу схватились за новую технологию и собираются теперь наносить нанокомпозит не только на замки, но и на ответственные гидравлические узлы, а Московский монетный двор уже испытал технологию в своем деле: штамп, которого обычно хватало на чеканку только 100 тысяч монет, с нанокомпозитным покрытием «Элан-Практик» отчеканил, не напрягаясь, 750 тысяч. Впрочем, на отечественном рынке спрос на супертехнологию не будет большим — по пальцам рук можно пересчитать те предприятия, где существует и необходимость, и возможность для прецизионной или венчальной обработки поверхности металлических деталей, после которой имеет смысл наносить нанопокрытия. Зато на Западе таких предприятий тысячи, и их интерес к дзержинской разработке огромен — это, скорее всего, подтвердит и бирмингемский Design Engineering Show. Но с выходом на огромный западный рынок у «Элан-Практик» уже возникли серьезные проблемы. Вакуумные технологии входят в список двойных, и, например, уже более полугода дзержинцы не могут отправить в Польшу даже простую машину первого поколения. Если не будут сняты бюрократические препоны на экспорт технологии, у «Элан-Практик» остается единственный шанс на то, чтобы стать хайтечной звездой мирового масштаба, — российская индустрия должна подтянуться до уровня мировой. «Эксперт» |