Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения и обработки конструкционных наноструктурированных материалов и покрытий с повышенной износостойкостью, направленной на импортозамещение

Докладчик: Чуманов Валерий Иванович

Должность: профессор кафедры "Общая металлургия" ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ"(НИУ), профессор, профессор кафедры "Общая металлургия"

Цель проекта:
Одной из самых важных отраслей экономики в последние годы считается строительство, на долю которого приходится около 3% ВВП России. Постройка жилых домов, зданий и офисных комплексов, детских садов, школ, университетов и других учебных заведений, мест общественного питания, ресторанов и кафетериев, дорог, стадионов, площадок, парков и многое другое. Всем этим занимается строительная сфера. На сегодняшний день в сфере строительства задействовано примерно 40% населения страны. С этой сферой тесно связано промышленное производство. На предприятиях по всей стране производится самая разная техника, направленная на расходных материалов для строительства: бетонные смеси, кирпичи, стеновые и облицовочные камни, тротуарные и бордюрные камни. До недавнего времени строительная техника и материалы для этой отрасли, частично поставлялись в нашу страну от зарубежных производителей, и, по качеству, считалась превосходящей российскую (например, считается, что отечественные бетономешалки хуже, чем итальянские). Однако, 4 июля 2014 г. Правительство РФ подписало Постановление № 656 «Об установлении запрета на допуск отдельных видов товаров машиностроения, происходящих из иностранных государств, для целей осуществления закупок для обеспечения государственных и муниципальных нужд» и, таким образом, ограничило ввоз иностранной техники. В данных условиях наиболее актуально развивать технологии, направленные на поддержку отечественного производителя материалов для строительства. Основной проблемой, с которой сталкивается данная отрасль – стойкость и качество материалов, используемых в установках для получения строительных материалов. Так, в частности, одно из крупнейших производителей заводов для производства строительных материалов, предприятие «Стройтехника», имеющее подразделения в нескольких регионах страны и поставляющее своё оборудование за рубеж, имеет проблемы связанные со стойкостью материалов: стойкость лопаток, работающих в условиях критического абразивного износа, стойкость материалов двигателей (которые в настоящий момент собираются из итальянских комплектующих для увеличения срока службы), стойкость валов редукторов, не выдерживающие нагрузок и многие другие. Таким образом, разработка технологии получения конструкционных наномодифицированных материалов, способных работать длительное время в экстремальных условиях износа (в том числе, в агрессивных средах), как и создание материалов с повышенными механическими свойствами является актуальнейшей задачей. Целью НИР является разработка технологии получения и обработки конструкционных наноструктурированных материалов и покрытий с повышенной износостойкостью, апробация в лабораторных и промышленных условиях, а также внедрение полученных по разработанной технологии материалов в действующее производство.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1 Инструкция по увеличению смачиваемости вводимых микро- и наномодификаторов Y2O3, TiC, WC металлическими расплавами.
2 Методика прогнозирования распределения микро- и наномодификаторов по объему кристаллизующейся заготовки в зависимости от плотности и дисперсности вводимых частиц, скорости вращения, размеров и тепло-физических свойств изложницы, температуры расплава и т.д.
3 Экспериментальные образцы наноструктурированных металлических материалов.
4 Лабораторная технологическая инструкция (ТИ) по созданию наноструктурированных металлических материалов.
5 Макет полупромышленного дозатора для подачи дисперсных частиц.
6 Эскизная конструкторская документация на макет полупромышленного дозатора для подачи дисперсных частиц.
7 Инструкция по изготовлению макетов изделий, произведенных из конструкционных наномодифицированных материалов.
8 Макеты изделий, произведенных из конструкционных наномодифицированных материалов.
9 Эскизная конструкторская документация на макеты изделий, произведенных из конструкционных наномодифицированных материалов.
10 Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера – организации реального сектора экономики.
Пути и способы достижения заявленных результатов:
1) Изучение смачивания частиц металлом. В случае, если расплав не смачивает частицы, не происходит
реакции взаимодействия между частицами и расплавом, а значит, что частицы не усваиваются металлом,
не встраиваются в его кристаллическую решетку. В ведущих научных зарубежных журналах («Acta
Materialia», «Kompozyty», «Journal of Material Science», «Scripta Materialia»), данные о смачиваемости
микро- и наночастиц частиц расплавами в 90% случаев противоречат друг другу. Это обусловлено тем, что
отдельные исследователи используют для измерения угла смачивания метод контактного нагревания, не
учитывающего различные факторы, такие как влияние шероховатости и пористости образцов, изменение
состава газовой фазы, изменения давления, некорректного измерения температуры в процессе
эксперимента (только в одной точке), игнорирование факта взаимодействия капли жидкого металла с
материалом подложки (в процессе нагревания), что ведет к измерению угла смачивания не с подложкой, а
с продуктами реакции металла и подложки и др.
Для решения данной проблемы коллективом авторов будет произведена серия экспериментов на новейшем
оборудовании с помощью метода измерения угла смачивания, носящего название «capillarimetric method»
— капиллярный метод. Полученные данные дадут возможность определить промежуток времени,
необходимый для реагирования микро- и наночастиц и металла в реальных литейных процессах.
2) Решение проблемы точного дозирования модификаторов (с учетом скорости подачи и количества
вводимых частиц в единицу времени) при введении в расплав. Анализ научно-технической литературы,
опыта существующих предприятий, опыты реализации серии предварительных экспериментов показали,
что в случае дозирования микро- и наномодификаторов в промышленных условиях, возникает проблема
подачи определенного количества частиц в единицу времени. Даная проблема усугубляется с возрастанием
дисперсности модификаторов, поскольку этот параметр увеличивает насыпную плотность модификаторов,
что, в свою очередь приводит к неравномерной подаче, а значит, к отсутствию стабильных исходных
параметров проведения экспериментов. В рамках работы предполагается провести исследовательские,
технологические и конструкторские работы по проектированию и созданию полупромышленного дозатора,
способного подавать гарантированно точно количество частиц в заданную единицу времени, а также
имеющего возможность изменять скорость подачи в зависимости от заданных параметров.
3) Разработка методики прогнозирования распределения вводимых микро- и наночастиц по сечению
формируемого материала. Без методики прогнозирования, учитывающей такие параметры как скорость
вращения и размеры металлического кокиля, теплофизические характеристики материалов изложницы и
вкладышей, объемная доля, удельная плотность, размеры модификаторов, температура разливки
невозможно предсказать расположение частиц в закристаллизовавшемся металле. В принципе, возможно
проведение ряда опытов с введением разного рода частиц при различных параметрах и построение
эмпирических закономерностей, однако это нецелесообразно с экономической точки зрения, поскольку для
построения адекватных зависимостей понадобится не менее нескольких сотен опытов по получению
материалов с различным сочетанием параметров. Таким образом, предполагается разработать методику
прогнозирования распределения модификаторов (на базе комплекса "Ansys Fluent 13.0"), провести ряд
моделирований на высокопроизводительном кластере «Скиф Урал» (необходимом для проведения ряда
параллельных вычислений) с изменяющимися параметрами: количество и тип модификаторов, тепло-
физические свойства изложницы, скорость вращения и размеры формируемого материала.
4) Решение проблемы регулирования и контроля количества оборотов на изложницах различных размеров.
Предварительные расчеты и опыты показали, что степень распределения частиц будет зависеть, в том
числе и от таких параметров, как размеры горизонтальной или вертикальной изложницы и скоростей их
вращения. Таким образом, следующей задачей коллектива является конструирование машин
центробежного литья горизонтального и вертикального типа с сменными изложницами различных
размеров и возможностью регулировки оборотов. Данная задача будет решена путём расчета размеров
парка горизонтальных и вертикальных изложниц, расчета мощностей двигателя, установки контролеров
(предполагается установить контролеры фирмы «Митсубиши»), а также отработки режимов вращения в
условиях заполнения изложницы металлом и торирования контролеров при смене типа изложницы.
5) Проведения ряда экспериментов по получению градиентно-упрочнённых наномодифицированных
металлических материалов с различными количествами и типами модификаторов. Эксперименты по
получению материала будут проводиться путем выплавки металла в индукционных печах "СЭЛТ
001-40/12-Т" и "СЭЛТ-001-15/44-Т", ёмкостью 10 и 35 кг. и разливки на усовершенствованной машине
центробежного литья при расчетных параметрах.
6) Экспериментальная проверка адекватности методики прогнозирования будет осуществлена
металлографическим изучением распределения частиц по сечению полученного экспериментального
материала. В ходе металлографических исследований будут выявлены зависимости изменения микро-и
наноструктур экспериментальных материалов от типа и количества введенных частиц, их дисперсности,
скорости вращения горизонтальной формы изложницы. Исследования изменения микро-структур будет
проведено на инвертированном микроскопе "Axio Observer MAT" с интегрированной системой анализа
изображения "Thixomet" и основанных на ней методик оценки качества структуры материалов.
Исследования изменения структур на нано-уровне будет проведено на электронном растровом
низковакуумном микроскопе JSM 6460 LV. Подготовка шлифов для исследования будет проводится с
помощью пробоподготовки "Buehler".
7) Проведение ряда экспериментов на испытательном комплексе «GLEEBLE 3800». Данный
испытательный комплекс предназначен для физического моделирования процессов прокатки и ковки,
термической обработки, сварки, непрерывного литья, а также для изучения фазовых превращений и
проведения механических испытаний. Испытательный комплекс позволяет воспроизводить на образцах
исследуемой стали или сплава сварочные термические циклы и изучать структуру и свойства околошовной
зоны термического влияния; выполнять многостадийные нагружения, аналогичные режимам деформации
на любом современном прокатном стане; имитировать процессы ротационной ковки, изучать поведение
материалов в условиях деформации кручением; реализовывать сложные температурно-временные режимы
термической обработки; изучать температуры фазовых превращений методами контактной и лазерной
дилатометрии. Основная цель использования данного комплекса - физическое моделирования процессов
прокатки и ковки, термической обработки, а также для изучения фазовых превращений и проведения
механических испытаний экспериментального материала.
8) Проведение экспериментов по использованию лазерной наплавки в процессе получения
наномодифицированных покрытий, включающих частицы карбидов и оксидов.
9) Изучение причин выхода из строя оборудования, использующегося Индустриальным партнёром №1
(ООО «Стройтехника») и производимого им оборудования (полный список производимой продуции и
оборудования размещён на сайте индустриального партнёра по адресу www.stroytec.ru). Примерами такого
оборудования служат вибропрессы «Кондор» и «Рифей-Удар», бетонные заводы «Рифей-Бетон-45» и
«Рифей-Бетон-25», смесители «СВ-40», «СВ-90», «СВ-500». Предварительный анализ имеющихся данных,
предоставленных Индустриальным партнёром, показал, что в настоящий момент наиболее актуальна
задача повышений стойкости лопаток, использующихся при смешивании строительных материалов
(значительный абразивный износ), двигателей подверженных значительным нагрузкам, валов редукторов,
использующихся в оборудовании и др. Изучение причин выхода оборудования из строя, будет включать в
себя металлографические исследования используемых материалов, исследования механических свойств и
химического состава, а также условий эксплуатации.
10) Термодинамическое моделирование (посредством программного комплекса FactSage) эволюции
фазовых равновесий в металле, работающем в условиях высоких механических нагрузок. Сопоставление
результатов моделирования с результатами металлографического исследования.
11) Разработка технологии получения конкретных деталей оборудования, использующихся
индустриальным партнёром по методике получения нано-модифицированных конструкционных
материалов, предлагаемых авторами, включающая получение и исследование экспериментальных
образцов.
12) Получение и производство конкретных деталей оборудования по разработанной технологии будет
проведено на базе Индустриального партнёра №2 (ООО «Ремонтно-механический завод «Нихард-сервис»),
имеющего в своём распоряжении необходимые технологические мощности (в частности, печное
оборудование повышенной ёмкости).
13) Апробация произведённых по разработанной технологии изделий на установках Индустриального
партнёра №1, комплекс работ по корректировке результатов работ и отработка технологии получения
конструкционных наномодифицированных металлических материалов с заданным уровнем свойств.
Работы, направленные на внедрение результатов ПНИ в технологическое оборудование, производимое и
использующееся Индустриальным партнёром.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Промежуточным результатом работ станет ряд сведений о смачиваемости материалов металлическими
расплавами, что позволит получать принципиально новые материалы, основанные на введении и
взаимодействии дисперсных частиц и расплавов. Также промежуточными результатами будет являться ряд
зависимостий макро- и микроструктур, прочностных характеристик от количества введенных частиц и
концентрации их в объёме металла.
Результатом работы станет новая, экономически эффективная технология создания конструкционных
наномодифицированных металлических материалов, с помощью которой также можно будет улучшать
физико-механические свойства существующих материалов, путем целенаправленного формирования
микро- и нанокристалической структуры, а также создавать принципиально новые материалы. Данная
технология позволит получать новые материалы с высокими механическими свойствами без значительного
увеличения количества использования легирующих элементов, а также использования специфического
дорогостоящего оборудования. Такие материалы, востребованы во всех отраслях промышленности,
начиная от строительной и нефте-газодобывающих отраслей, металлургической и машиностроительных
отраслей предприятий, до космической промышленности.
Разработанную технологию, являющуюся результатом проекта, возможно будет интегрировать
практически в каждое предприятие, которое имеет металлургические плавильные печи без больших
экономических затрат и в короткие сроки, поскольку технология получения материала не требует
специфического дорогостоящего оборудования.

Текущие результаты проекта:
Проведён аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.
Обоснованы методы и средства, а также направления исследований и способов решения поставленных задач.
Проведён анализ научно-технической документации продукции выпускаемой индустриальным партнёром с целью выявления наиболее тяжёлых условий работы ключевых узлов и механизмов деталей машин.
Выполняются работы по термодинамическому моделированию эволюции фазовых равновесий в металле, работающем в условиях высоких механических нагрузок.