Алтайский Краевой Инновационный Банк Данных
Министерство экономического развития Алтайского края
Управление инновационного развития и кластерной политики 
Алтайский Центр
Кластерного Развития
Инновации

Исследование механизма диффузионных процессов при формировании на поверхности железо-углеродистых сплавов комплексных диффузионных покрытий на основе бора, хрома и титана

Отношение к критическим технологиям:
Технологии создания и обработки кристаллических материалов


Контактная информация

Название организации
ФГБОУ ВПО "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова"


ФИО руководителя организации
Ситников Александр Андреевич


Юридический адрес
656038, Россия, г. Барнаул, пр. Ленина, 46


Почтовый адрес
656038, Россия, г. Барнаул, пр. Ленина, 46


ФИО руководителя проекта:
Гурьев Алексей Михайлович


Аннотация проекта

Постановка и описание научной или научно-технической проблемы, решаемой в рамках Проекта
Задача изучения механизма и кинетических особенностей образования диффузионных покрытий на железо-углеродистых сталях в процессе химико-термической обработки (ХТО) составляет важное направление исследований в рамках указанной проблемы. Проектом предусматривается изучение особенностей диффузии и построение математических моделей связывающих технологические параметры процесса одновременного химико-термического насыщения поверхности железо-углеродистого сплава бором, хромом и титаном с его физико-механическими свойствами, моделей, связывающих атомные механизмы эволюции дефектных структур с параметрами внешнего воздействия, представляющих как самостоятельный научный интерес, так и служащих ключом к пониманию природы самого процесса химико-термической обработки.


Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым
Изучению возможностей применения ХТО с целью улучшения структуры и механических свойств поверхности сталей, а, следовательно, и повышению работоспособности деталей машин и инструмента уделяется в последнее время большое внимание, как со стороны производства, так и со стороны науки. В результате разработан ряд новых технологий химико-термической обработки. Однако выбор режимов ХТО до сих пор ведется эмпирическим путем, так как недостаточно полно изучены механизмы диффузии в сложных системах, а недостатками этих технологий является то, что повышение прочности стали не сопровождается необходимым высоким уровнем ее пластичности, а также то, что все известные способы достаточно трудоемки и длительны. Отсутствие обоснованных представлений о механизме формирования комплекса оптимальных свойств в процессе ХТО создало условия нерационального выбора и зачастую неэффективного использования потенциальных возможностей перспективного метода упрочнения сталей и сплавов. Противоречивое понимание взаимного влияния различных параметров процесса химико- термической обработки (температура, скорости нагрева и охлаждения, время выдержки при температуре насыщения и др.) создало предпосылки для применения широкого спектра способов ХТО, отличающихся не только принципом воздействия на структуру (с полными фазовыми превращениями, с частичными или без таковых), но и самое главное, различающихся до 20 – 50 раз энергозатратами для получения необходимого результата. Исследования будут проводиться с использованием как реального эксперимента, так и компьютерного моделирования. В настоящее время компьютерное моделирование наряду с реальным экспериментом и теорией выделилось в третье направление в физике конденсированного состояния. Во многих ситуациях только на основе компьютерного моделирования может быть развита наиболее полная теория, позволяющая решить проблемы создания новых материалов с определенным набором свойств. В основе настоящего проекта лежит продолжение исследований методами молекулярной динамики и стохастики проблемы эволюции дефектных структур в динамике внешнего воздействия, построение теории их самоорганизации. Данные исследования позволяют решить ряд фундаментальных проблем физики конденсированного состояния. Теоретический уровень ожидаемых результатов сопоставим с мировым, а по ряду позиций определяет аналогичные зарубежные разработки в данной области науки. В частности, такие результаты как обнаружение до двенадцати структурно-фазовых стадий в материале, происходящие на атомном уровне в областях деформаций от упругой до разрушения; механизмы и стадии, регулирующие процессы фазовых переходов порядок-беспорядок в двумерных кристаллах.


Новизна подхода в решении обозначенной проблемы
1. Изучение кинетики формирования структуры поверхностного диффузионного слоя легированных сталей в процессе проведения ХТО с использованием тонких методов исследования (зондовый, растровый и просвечивающий электронные микроскопы, рентген и т.д.) и на основе поведенных исследований предложить механизм формирования структуры и свойств этих сталей при ХТО. 2. Проведение расчетов структуры, свойств и эволюции структуры. 3. Будет проведено исследование структурно-энергетической трансформации, имеющей место в железо-углеродистых сплавах в зависимости от температуры, давления, присутствия различных типов дефектов и ее влияния на фазовые переходы типа порядок-беспорядок, выявление эффектов самоорганизации дефектных структур при фазовых превращениях; 4. Будут исследованы вклады различных типов механизмов диффузии и самодиффузии, таких как краудионный, кольцевой, обменный, вакансионный, дивакансионный, механизм образования пар Френкеля, механизм переползания дислокаций и интегральные характеристики диффузии в исследуемых материалах в зависимости от типа и характера внешнего воздействия. 5. На основе результатов компьютерного эксперимента и сравнения с физическим экспериментом, будут разработаны атомные механизмы формирования композиционных низкоразмерных структур с высокой адгезионной прочностью. 6. Построение математических моделей, связывающих технологические факторы ХТО со структурой и механическими свойствами наиболее широко применяемых углеродистых (Сталь 45, У7, У8, У10) и легированных инструментальных (5ХНВ, 5ХНМ, Х12) сталей. 7. На основе проведенных исследований будет дополнена теория диффузии в сложных системах и проведена оптимизация режимов химико-термической обработки железо- углеродистых сплавов.


Описание области применения результатов научно-исследовательской работы
Теоретическое и экспериментальное определение основных параметров химико- термической обработки сталей различных классов. Моделирование структуры и процессов, происходящих в поверхностном слое при нагружении и нагреве. Выявление вкладов в интегральные характеристики диффузии отдельных механизмов, возникающих при разогреве материала, в зависимости от температуры, деформации и длительности воздействия. На основе полученных результатов будет расширено представление о процессе диффузии и самодиффузии и его влияния на эффекты самоорганизации дефектных структур. Будет расширено представление о вкладах таких механизмов диффузии, как краудионный, кольцевой, обменный вакансионный, механизм образования пар Френеля, образования дивакансионных комплексов в зависимости от температуры, давления и типа конкретного материала. Экспериментальное определение необходимых параметров процесса, обеспечивающих необходимую толщину и физико-механические свойства диффузионного слоя на поверхности стали. Исследование областей стабильностей композиционных композитов систем Fe-C-Ti-B, Fe-C-Cr-B и других в зависимости от температуры, давления и времени насыщения. Разработка состава насыщающей смеси для совмещенных процессов борохромирования и боротитанирования сталей. Исследование распространения упругих волн динамических смещений атомов, происходящих при воздействии на отдельные атомы или их группы, в зависимости от конкретной структуры материала. Получение опытной партии изделий с применением термоциклической и химико- термической упрочняющей обработки. Оценка износостойкости упрочненных по разработанным способам сталей. На основе результатов компьютерного эксперимента с позиций синергетики будет построена концепция самоорганизации дефектных структур в материалах в зависимости от внешних воздействующих факторов.


Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту, полученные ранее результаты, разработ
Разработан способ термоциклической обработки углеродистых инструментальных сталей и способ термоциклической обработки легированных инструментальных сталей. Разработанная технология термоциклического упрочнения инструментальных сталей является окончательной операцией термической обработки стали и защищена патентами Российской Федерации на изобретения. Новая технология термической обработки предназначена для повышения эксплуатационной стойкости режущего и холодноштампового инструмента из этих сталей и наиболее эффективна для инструмента, испытывающего большие ударные нагрузки, в частности для мелкоразмерного инструмента, а также для инструмента применяемого при вырубке- пробивке благодаря более высоким показателям ударной вязкости и прочности. В настоящее время выявлены особенности распространения динамических волн смещений атомов в материале при импульсном возбуждении отдельных атомов, их взаимодействие, диссипация и рассеяние при температурах, близких к 0К. Исследованы вклады в интегральные характеристики диффузии отдельных механизмов, возникающих при импульсном разогреве материала, в зависимости от температуры, деформации и длительности воздействия. Расширено представление о процессе диффузии и самодиффузии и его влияния на эффекты самоорганизации дефектных структур. Расширено представление о вкладах таких механизмов диффузии, как краудионный, кольцевой, обменный вакансионный, механизм образования пар Френеля, образования дивакансионных комплексов в зависимости от температуры, давления и типа конкретного материала.


Перечень основных публикаций и публичных выступлений, в которых отражены достигнутые результаты научно-исследовательских работ по проекту
-


Перечень международных, федеральных, региональных и муниципальных конкурсов, в которых проект был признан победителем
-


Текущая стадия разработки проекта
Научно-исследовательская работа


Патентная чистота научно-технического задела, его защищенность
Имеются патенты


Тип научно-исследовательской работы
Поисковые проблемно-ориентированные исследования


Описание основных ожидаемых научных результатов
Экспериментальное определение необходимых параметров процесса, обеспечивающих необходимую толщину и физико-механические свойства диффузионного слоя на поверхности стали. Исследование областей стабильностей композиционных композитов систем Fe-C-Ti-B, Fe-C-Cr-B и других в зависимости от температуры, давления и времени насыщения. Разработка состава насыщающей смеси для совмещенных процессов борохромирования и боротитанирования сталей. Исследование распространения упругих волн динамических смещений атомов, происходящих при воздействии на отдельные атомы или их группы, в зависимости от конкретной структуры материала. Получение опытной партии изделий с применением термоциклической и химико- термической упрочняющей обработки.


Ожидаемая научная, научно-техническая продукция
Получение опытной партии изделий с применением термоциклической и химико- термической упрочняющей обработки. Оценка износостойкости упрочненных по разработанным способам сталей. На основе результатов компьютерного эксперимента с позиций синергетики будет построена концепция самоорганизации дефектных структур в материалах в зависимости от внешних воздействующих факторов.


Срок реализации Проекта (месяцев)
24


Необходимый объем финансирования (тыс. руб.)
400


Ключевые слова

Закалка, термообработка, Керамические материалы и порошки, Металлы и сплавы, Покрытия, Свойства материалов, коррозия/разрушение, Чугун и сталь, металлоконструкции


Графические, презентационные, текстовые и иные материалы к проекту

-