Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0122

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0122
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет(национальный исследовательский университет)"
Название доклада
Разработка технологии получения и обработки конструкционных наноструктурированных материалов и покрытий с повышенной износостойкостью, направленной на импортозамещение
Докладчик
Аникеев Андрей Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследования явилась разработка комплекса научно-технологических решений в области создания и обработки конструкционных наноструктурированных материалов и покрытий с повышенной износостойкостью, апробация полученных материалов в лабораторных и промышленных условиях, а также внедрение полученных по разработанной технологии материалов в действующее производство.
Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать способ создания конструкционных материалов, основанный на введении дисперсных частиц в металличекие расплавы.
2. Изучить смачивание частиц металлом.
3. Решить проблему точного дозирования модификаторов.
4. Разработать методику прогнозирования распределения вводимых микро- и наночастиц по сечению формируемого материала.
5. Решить проблему регулирования и контроля количества оборотов на изложницах различных размеров.
6. Провести ряд экспериментов по получению градиентно-упрочнённых наномодифицированных металлических материалов.
7. Провести экспериментальную проверку адекватности методики прогнозирования.
8. Изучить причину выхода из строя оборудования, использующегося Индустриальным партнёром №1.
9. Разработать технологию получения конкретных деталей оборудования, использующихся индустриальным партнёром.
10. Наработать несколько партий деталей, провести промышленную апробацию экспериментальных деталей и их исследования до и после эксплуатации.
11. Разработать программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов и провести испытания согласно методикам.
12.Провести работы по оптимизации технологии создания градиентно-упрочнённых наноструктурированных металлических материалов и покрытий.
Актуальность и новизна исследования
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. До недавнего времени строительная техника и материалы для этой отрасли, частично поставлялись в нашу страну от зарубежных производителей, и, по качеству, считалась превосходящей российскую. 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.
Новизна исследования заключается в комплексном подходе, включающем теоретические аспекты изцчения проблем упрочнения, применение современных методик исследования взаимодействия материалов, изучение проблем стойкости оборудования конкретного предприятия, предложения и апробации новых материалов на конкретном оборудовании, также в применении технологии дисперсного упрочнения к достаточно крупным отливкам, что традиционно не применяется в металлургической промышенности.
Описание исследования

Для решения задач исследования была определена задача изучение смачивания частиц металлом. Для изучения данного параметра была применена методика, не характерная для российских исследований. Данное исследование было одним из критических, поскольку 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 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  изменение состава газовой фазы, изменения давления, некорректное 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 была произведена серия экспериментов на новейшем оборудовании с помощью метода измерения угла смачивания, носящего название «capillarimetric method» — капиллярный метод. Суть метода заключается в том, металл, смачивающий подложку нагревают в специализированной капельнице, расположенной внутри камеры, где синхронно производят нагрев подложки из карбидов, а по достижению температуры плавления (температура контролируется 4 датчиками) капля жидкого металла выдавливается на подложку. Таким образом исключается измерение угла смачивания с продуктами реакции. Высокотемпературная камера, оснащена газоанализатором,  обладает возможностью изменения давления и изменения газовой атмосферы (вакуум, оксидная атмосфера и инертный газ), а также приборами измерения давления. Весь процесс нагревания, выдавливания капли и её взаимодействия с материалом подложки фиксируется на высокоскоростную фотокамеру (2000 снимков в секунду). Такая высокоскоростная съемка позволяет отследить все особенности процесса взаимодействия, начиная от «микро-подпрыгивания» капли металла на подложке и заканчивая наблюдением изменения геометрии капли в любой момент времени взаимодействия. Проведенные эксперименты позволили создать базу данных по смачиваемости некоторых карбидов металлическими расплавами, которая позволяет вводить частицы в расплав и обеспечивает их взаимодействие с ним.

Проблема точного дозирования модификаторов (с учетом скорости подачи и количества вводимых частиц в единицу времени) при введении в расплав была решена провдением исследовательских, технологических и конструкторские работы по проектированию и созданию полупромышленного дозатора.

Для прогнозирования распределения вводимых микро- и наночастиц по сечению формируемого материала была разработана методика
прогнозирования  (на базе комплекса "Ansys Fluent 13.0"), проведен ряд моделирований на высокопроизводительном кластере «Скиф Урал» (ряда параллельных вычислений) с изменяющимися параметрами: количество и тип модификаторов, тепло-физические свойства изложницы, скорость вращения и размеры формируемого материала.

В рамках выполнения работы был проведен ряд экспериментов по получению градиентно-упрочнённых наномодифицированных металлических материалов с различными количествами и типами модификаторов. В ходе металлографических исследований 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 было проведено на инвертированном микроскопе "Axio Observer MAT" с интегрированной системой анализа изображения "Thixomet" и основанных на ней методик оценки качества структуры материалов. Подготовка шлифов для исследования проводилась с помощью пробоподготовки "Buehler".

В рамках работы с индустриальным партнером были наработаны партии деталей №1 и №2 отдельных механизмов, использующихся в строительной отрасли (смесителях), проведены их  механическая и термическая обработки. Полученные детали были испытаны на р путём установки на машины и механизмы, использующиеся индустриальным партнёром, произведен анализ полученных испытаний и разработаны рекомендации для наработки следующих партий изделий.
 

Результаты исследования

1. Проведён анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов,
относящихся к разрабатываемой теме. Проведённый анализ позволил выявить достоинства и недостатки предлагаемых и
использованных подходов, трудности связанные введением микро-, ультра- и нано-дисперсных частиц в расплав, методы
получения наноструктурированных дисперсно-упрочненных материалов, наметить пути разработки оптимального способа
изготовления дисперсно-упрочненых материалов.
2. Проведено термодинамическое моделирование эволюции фазовых равновесий в металле, работающем в условиях высоких
механических нагрузок. Анализ результатов моделирования позволяет сделать вывод о том, что ключевые фазовые переходы в
исследуемой системе происходят при температурах 500–600 °С. В этом интервале происходит превращение структуры
металлической матрицы из ОЦК решётки в ГЦК решётку. В этом же интервале температур образуется стабильная цементитная
фаза и исчезают условия существования других карбидных растворов.
3. Проведено изучение смачиваемости вводимых микро- и наномодификаторов Y2O3, TiC, WC в низкоуглеродистые
металлические расплавы в различных составах атмосфер. Исследование кинетики смачивания было выполнено при помощи
методик контактного нагревания и бесконтактного нагрева в атмосферах аргона, ваккуме, и окислительной атмосферы. На основе этих данных разработана инструкция по увеличению смачиваемости вводимых микро-и наномодификаторов Y2O3, TiC, WC в
низкоуглеродистые металлические расплавы.

4. Разработана методика прогнозирования распределения микро- и наномодификаторов по объему кристаллизующейся
заготовки и проведено моделирование процессов распределения различных модификаторов, с изменяющимися параметрами:
количество и тип частиц, теплофизических свойства изложницы, скорость вращения и размеры формируемого материала с
помощью разработанной методики. Моделирование, проводящееся в в программном пакете ANSYS FLUENT 12.0 показало, что
при совместном введении частиц, имеющих различные плотности, наблюдается преимущественное накопление частиц во
внешнем поверхностном слое (для частиц с плотностью большей плотности расплава), либо во внутреннем поверхностном
слое (для частиц с плотностью меньшей плотности расплава).
5. Выполнено проектирование ЭКД и изготовление макета полупромышленного дозатора для подачи дисперсных частиц и
проведение его испытания.
6. Изготовлены экспериментальные образцы наноструктурированных металлических материалов и покрытий. Образцы в
основе состоят из мягкого железа (проведена аттестация металла), имеют различное содержание Y2O3, TiC, WC введенных при
разливке на машине центробежного литья. Образцы имеют удовлетворительное качество поверхности, правильную
геометрию, и предназначены для изучения макро- и микроструктуры, химического состава и плотности распределения частиц.

7. Для предприятия-партнера №1 произведена наработка нескольких партий деталей и проведены испытания наработанных партии деталей, путём установки на машины и механизмы и их эксплуатации. Исследование показало, что получаемые по предлагаемой технологии материалы будут конкурентноспособны, поскольку способны работать заданное количество времени без выхода из строя, в то время как себестоимость их значительно ниже существующих аналогов.

Практическая значимость исследования
Результаты работы, полученные на данном этапе, позволят уменьшить на 20-30% издержки Индустриального партнёра на закуп и замену высокоизносостойких материалов, используемых и в производстве. В перспективе, полученные результаты позволят значительно уменьшить долю высокоизносостойких материалов, получаемых из других стран. Полученные результаты ПНИ могут быть внедрены на предприятиях металлургической и машиностроительной сферы, а также иных предприятий, деятельностью которых является создание высокопрочных материалов. Полученные результаты могут быть применены в различных областях науки и техники, узкоспециализированныхисследованиях, посвященных созданию конструкционных наноструктурированных материалов и покрытий.