Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ) » Кафедра «Металловедение и термообработки» | Научно-исследовательская работа


Научно-исследовательская работа

Научно–исследовательская работа

На подсекции Металловедения и термообработки МАДИ была разработана и изготовлена первая в стране установка для ионного азотирования. Многолетние исследования однозначно  показали преимущества ХТО в тлеющем разряде, к которым относятся: экологическая безопасность процесса,  минимальные коробления и деформации изделий, а также экономия технологических газов и энергии за счет сокращения длительности процесса (так, ионное азотирование обеспечивает в 2-3 раза большую скорость роста диффузионного слоя, чем газовое азотирование).

Школой Ю.М. Лахтина было дано теоретическое обоснование интенсификации насыщения действием тлеющего разряда на все элементарные процессы: активацию газовой фазы, адсорбцию и диффузию. В течение многих лет в МАДИ совершенствовались процессы ионного азотирования в направлении оптимизации технологических режимов и использования различных насыщающих сред: аммиачно-аргонных, азото-водородных, азото-науглероживающих. В последние годы разработан способ ХТО сталей в низкотемпературной плазме, который позволяет значительно сократить время формирования диффузионных слоев (патент РФ № 2362831).

При выполнении НИР «Легирование поверхности углеродистых сталей путем обработки в жидком электролите с образованием низкотемпературной плазмы» № 14.B37.21.1613 по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2012-2013) выявлены закономерности формирования композиционных покрытий при диффузионной металлизации из обмазок с использованием низкотемпературной плазмы в комбинации с азотированием.

В рамках НИР № 14.B37.21.1652 «Формирование поверхностных композиционных наноструктурированных слоёв на сталях химико-термической обработкой в многокомпонентных газовых средах» выявлены условия создания наноструктурированных многослойных покрытий в хромистых сталях, состоящих из нанопорошкового слоя нитридов железа,  монолитного наноразмерного слоя оксикарбонитридов и зоны внутреннего азотирования с наночастицами нитридов легирующих элементов.

 

Нанокомпозитные покрытия получают при циклических процессах окси-азотирования с формированием наноразмерной барьерной оксидной пленки (Патенты РФ № 2367715, 2367716, 2519356). Подобное покрытие из наночастиц и монолитного слоя металлокерамики получено на поверхности штампов путем ионного осаждения легирующего элемента и контроля его диффузии толщиной оксидной пленки-барьера (Патент РФ № 2519356).

 

 

Электрография азотированного слоя по глубине

При выполнении НИР № 14.B37.21.1096 «Разработка способов химико-термической обработки изделий из конструкционных металлических материалов для получения наноструктурированных поверхностных слоев с высокими эксплуатационными свойствами» показана  возможность формирования наноструктурированных поверхностей и при других видах ХТО. Установлены закономерности формирования элементов наноструктуры при лазерно-радиационном борировании из обмазок (Патент РФ № 2539128), а также при лазерном отжиге, сопровождающемся кристаллизацией  аморфных пиролитических хромовых покрытий, сформированных  осаждением из паров металлоорганических соединений (МОС).

Электрография оксиазотированного слоя стали 40Х13 (а), х500 и наноструктуры участков модифицированного слоя (б)

 

В работе  «Теоретическое и экспериментальное исследование теплофизических режимов образования и роста нанокластерных структур в диффузионных покрытиях конструкционных материалов» (Грант РФФИ 2008-2010 г.) на основе построенных моделей дано обоснование условий наноструктурирования при диффузионном насыщении. Выявлены преимущества способов ХТО с использованием высококонцентрированных источников воздействия: лазерных, плазменных, ультразвуковых (НИР «Теория и практика модифицирования поверхности металлов  с использованием  лазерных технологий и ультразвука» № 14.740.11.0072 (2010-1012), выполненной по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»). Показано, что именно комбинированные процессы поверхностного наномодифицирования, сочетающие термическое воздействие (химико-термическая обработка, отжиг), химическое воздействие (легирование, осаждение покрытий) и электрофизическое воздействие (плазма, лазерная обработка), позволяют получать на углеродистых и малолегированных сталях высоколегированные слои с элементами наноструктуры.

 

Изображения в растровом электронном микроскопе: а) – морфология нанодисперсных нитридов хрома в зоне внутреннего азотирования стали 20Х13 – 3D-наноматериал, х25000, б) – наноразмерная оксидная плёнка на стальной поверхности – 2D-наноматериал, в) – структура углеродного волокна УКН-2-500 – 1D-наноматериал (по данным Н.И. Бауровой [47]), г) – наночастицы порошка керамики, полученные методом карбонильного осаждения на стали – 0D-наноматериал, ×50 000, HITACHI S-800

Коллектив располагает существенным методологическим заделом для исследования комплекса «параметры обработки-структура-свойства» при разработке новых способов поверхностного упрочнения. Развитию теории и методологии управления структурообразованием при поверхностном модифицировании сталей и сплавов посвящены НИР «Научные и методологические аспекты исследований в инженерии поверхности металлических материалов» по АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)», «Создание научно-методологического комплекса для управления наноструктурой поверхностного слоя металлов методами химико-термической обработки» по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013, № 14.740.11.0025, и, наконец, НИР «Совершенствование теоретико–методологических основ разработки поверхностно-упрочненных конструкционных материалов», выполняемой в рамках проектной части Государственного Задания в сфере научной деятельности №11.1593.2014/К  выполнение которой в рамках государственного задания Минобрнауки РФ начато в 2014 г.

Кратер, образовавшийся при воздействии на образец лазерного импульса длительностью 3 нс