НОВЫЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ СТАЛЕЙ ДЛЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ТРУБ НЕФТЯНОГО СОРТАМЕНТА И УСТРОЙСТВ БРОНЕВОЙ ЗАЩИТЫ
На кафедре «Физическое и прикладное материаловедение» ДГТУ разработаны новые принципы создания сталей для устройств броневой защиты, обеспечивающие эффективное сопротивление воздействию локальных соударений большой мощности. Для этого предлагается использовать естественный композиционный материал с дуальной феррито-мартенситной структурой. Это предложение защищено патентом РФ № 2495141.

Горячекатаный лист толщиной 8 мм. Материал сталь 14Г2. Строчечная феррито-перлитная структура, х100	Структура ЕФМК с дискретным упрочняющим волокном в стали 20 после закалки от 760°С ,  х100

Идея создания естественного феррито-мартенситного композита (ЕФМК) базируется на применении в качестве исходного материала доэвтектоидных сталей со строчечной феррито-перлитной структурой. Строчечность принято считать браком металлургического производства, но именно этот порок и предлагается использовать для получения ЕФМК, поскольку после нагрева такой стали в область межкритического (А1-А3) интервала температур (МКИ) и закалочного охлаждения формируется почти строго ориентированная (сэндвичеподобная) дуальная феррито-мартенситная структура, представляющая собой естественный композит.
Проведенные исследования показали, что ЕФМК имеют существенно более высокое сопротивление распространению трещины по сравнению со структурным состоянием стали после полной закалки и отпуска, а тем более по сравнению с состоянием поставки. В связи с этим, пластины толщиной 8 мм из стали со структурой ЕФМК были подвергнуты имитационных испытаниям. Пластины подвергались воздействию термоупрочненных дюбелей диаметром 4,5 мм с помощью монтажного поршневого пистолета ПЦ-8 (применялись дульные гильзы Д-4 максимальной мощности). Результаты этих испытаний иллюстрируют следующие фотографии:

а

б

в

Результат имитационных испытаний пластин из стали 30 со структурой ЕФМК

Видно, что в состоянии поставки (а) пластина пробивается насквозь до упора дюбеля. После полной закалки и отпуска при температуре 600 оС пластина простреливается, но упора не достигает (б). Обработка пластины на структуру ЕФМК с низким отпуском приводит к разрушению дюбеля без существенных повреждений пластины (в).

Пластины из стали со структурой ЕФМК были подвергнуты также испытаниям на пулестойкость в условиях обстрела из стрелкового оружия с наиболее высокой поражающей способностью: снайперская винтовка СВД калибра 12,7 мм и автомат АК-74 калибра 5,45 мм. Оба вида были обеспечены боеприпасами заводского снаряжения двух типов: легким патроном со стальным сердечником и бронебойным с вольфрамовым сердечником в медных обечайках. Видно, что образец стандартной горячекатанной стали пробивается насквозь автоматной пулей и, тем более, пулей с вольфрамовым сердечником. На образце  со структурой ЕФМК вольфрамовая пуля оставляет лишь вмятину и рикошетирует.
Материалы со структурой ЕФМК могут иметь двойное применение, как высокопрочные стали для ответственных строительных и мостовых конструкций, трубопроводов и котлов высокого давления, так и для изготовления броневого листа. В таких материалах должны быть заинтересованы потребители горячекатаной металлопродукции с высоким комплексом механических свойств и трещиностойкости с целью снижения металлоёмкости изделий.
Кафедра "ФиПМ" ДГТУ готова предложить технологию для получения изделий из естественного ферритно-мартенситного композита, включая рекомендации по выбору рационального соотношения концентраций феррита и мартенсита, обеспечивающую заданный комплекс прочностных и пластических свойств, а также сопротивления разрушению в соответствии с требованиями заказчика.
Контакты: д.т.н., профессор Пустовойт Виктор Николаевич
тел. 8(863)2738365, моб. тел. 89286019029, e-mail: fipm-dstu@mail.ru

НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ В ПОРОШКОВЫХ СРЕДАХ

Общим недостатком известных технологических процессов химико-термической обработки стальных изделий является их большая продолжительность, которая может достигать нескольких десятков часов.
На кафедре "Физическое и прикладное материаловедение" ДГТУ успешно опробован и исследуется новый процесс диффузионного насыщения, позволяющий сократить продолжительность обработки до 2-3 минут. Этот способ назван микродуговой химико-термической обработкой (МДХТО) и на него получен Патент РФ №2477336. При проведении МДХТО  (см. рис. 1,а) упрочняемое стальное изделие погружается в электропроводный контейнер с порошком каменного угля и нагревается пропусканием электрического тока в цепи контейнер – порошковая среда – изделие.
Процесс МДХТО протекает в нескольких этапов.
Первый этап связан с возникновением микродуговых разрядов между частицами угольного порошка сначала в объеме порошковой среды и, практически мгновенной, концентрацией микродуг в локальной зоне вокруг поверхности изделия, вследствие увеличения плотности тока в направлении от контейнера к изделию (рис. 1,а).
На втором этапе протекает интенсивный нагрев угольной среды в локальной зоне вокруг поверхности изделия (рис. 1,б). 
Третий этап характеризуется воспламенением газов, выделяющихся при пиролизе угля и началом интенсивного нагрева поверхности изделия (рис. 1,в).
На четвертом этапе стабилизируется температура процесса МДХТО и протекает собственно процесс диффузионного насыщения поверхности изделия (рис. 1,г).
Под влиянием микродуг, оксид углерода, выделяющийся при пиролизе каменного угля, диссоциирует с образованием атомарного углерода, что позволяет на поверхности стали 20 за 3 мин сформировать науглероженный слой эвтектоидной концентрации (рис. 2,а) глубиной до 0,3 мм.

а	б

Рис. 1 - Этапы МДХТО

Кроме того, с помощью МДХТО появляется возможность формирования высокотвёрдых карбидных, нитридных и боридных слоёв на поверхности стальных изделий за счет одновременно протекающих процессов цементации и диффузионного насыщения поверхности стального изделия карбидообразующими элементами (на этот способ поверхностного упрочнения  ДГТУ в 2015 г. выдан патент РФ №2555320 с приоритетом 21.01.2014 г.).
В настоящее время получены покрытия карбидного типа на стали при микродуговом хромировании, молибденировании и борировании глубиной 20-50 мкм (рис.6), микротвёрдостью 13,5-15,0 ГПа (рис. 2, б-г). Причем при борировании формируется гетерогенное (композиционное) покрытие глубиной 0,2 мм, состоящее из областей высокодисперсной эвтектоидной смеси микротвёрдостью 4500-4700 МПа и боридной эвтектики микротвёрдостью 15,0-17,0 ГПа (светлые участки в борированном слое).

а	б
в	г

Рис.2 - Микроструктура диффузионного слоя на поверхности стали 20 после микродуговой цементации – а, хромирования – б, молибденирования – в и борирования – г.

Таким образом, в ДГТУ создана новая высокоэффективная технология скоростного поверхностного легирования стальных изделий, позволяющая не только интенсифицировать процесс диффузионного насыщения, но и формировать комплексно легированные поверхностные слои на стальных изделиях, обладающие нетривиальным сочетанием механических и эксплуатационных свойств.   
Контакты: д.т.н., профессор Домбровский Юрий Маркович,
тел. 8(863)2738519, моб. тел. 89185694989, e-mail: yurimd@mail.ru.

Механизм взаимодействия с соисполнителями и инвесторами - проведение совместных научно-исследовательских работ на правах партнерства, передача разработанной технической и технологической документации на договорной основе, включающей авторский надзор и техническую помощь при внедрении.

ИОННОПЛАЗМЕННЫЕ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ - НОВЫЙ КЛАСС ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ

В ходе выполнения научных проектов последних лет (Госконтракт Минобрнауки РФ, гранты РФФИ) кафедрой «Физическое и прикладное материаловедение» совместно с НОЦ «Материалы» ДГТУ была освоена технология получения слоистых нанокомпозиционных покрытий целого ряда назначений. Покрытия формируются с использованием вакуумных ионноплазменных установок, оснащенных термическими или магнетронными испарителями. В качестве испаряемых катодов может использоваться широкий спектр металлов. Осаждение металлов на покрываемое изделие может выполняться в вакууме или в реакционной газовой среде, содержащей азот/углерод. В последнем случае на поверхности изделия формируется слой нитридов/карбидов/карбонитридов или чистого углерода. Благодаря вращению рабочего стола в вакуумной камере с эксцентрично закрепленным изделием, последнее последовательно проходит несколько катодов (испарителей). В результате на изделии последовательно формируются осажденные слои различного состава. Регулируя скорость вращения рабочего стола и скорость осаждения можно получать слои толщиной от нескольких нанометров. Наибольший функциональный эффект нанокомпозиции покрытий достигается при толщине слоев 10…100 нм и общей толщине покрытия 10…15 мкм.

В качестве первого слоя (подслоя) обычно наносится слой чистого металла, имеющего высокую адгезию к основному металлу изделия и обеспечивающий таким образом высокую адгезию всего покрытия. Для стали - это титан, хром, молибден, ванадий. Далее наносятся основные слои покрытия, число которых может доходить до 1000 и более. Такие слоистые покрытия принято относить к категории 2D-нанокомпозитов. Физическая сущность комбинирования слоев заключена в идее повышения общего функционала покрытия за счет сочетания свойств, присущих каждому слою. Это хорошо иллюстрирует рис.1.

Рис.1. Сравнительные характеристики некоторых наноматериалов

Наиболее значительный эффект повышения функциональных свойств достигается при комбинировании слоев различной природы. Так проведенные исследования кафедры «Физическое и прикладное материаловедение» показали, что, например, в металлокерамических нанокомпозиционных покрытиях даже самого простого состава Ti/TiN или W/WN может быть получена твердость до 35 ГПа при толщине слоев 10…20 нм, тогда как при микрометрической толщине слоев твердость не превышает 10 и 20 ГПа соответственно.

На рис. 2 и 3 представлены примеры поперечных сечений мультислойных ионноплазменных нанокомпозиционных покрытий различного состава слоев. Такие покрытия помимо аномальной твердости обладают высокими показателями износостойкости при работе в условиях трения и эрозионного износа. В частности, покрытие системы TiN/MoN при испытаниях на каплеударную эрозию может быть использовано взамен наиболее износостойкой на сегодняшний день защиты лопаток паровых турбин – сплава «Стеллит 6» (рис. 4), пластины которого припаивают на поверхность длинномерных лопаток последних ступеней турбин в теплоэнергетике.

Рис. 2. Сечение металлокерамического 2D-нанокомпозиционного покрытия системы Ti/TiN на стали 20 при различном увеличении, растровая электронная микроскопия

Рис. 3. Cечение слоистого нанокомпозиционного покрытия системы TiN/MoN на стали 20Х13 при различном увеличении, растровая электронная микроскопия

Рис. 4. Сравнительная износостойкость различных материалов и покрытий в условиях каплеударной эрозии (в относительных единицах)

Возможности технологии нанесения ионноплазменных нанокомпозиционных покрытий позволяют получать покрытия самых разнообразных композиций и, следовательно, различного назначения. Так, например, опыт работы кафедры «Физическое и прикладное материаловедение» позволяет рекомендовать покрытия системы CrN/NbN для защиты изделий, работающих в условиях совместного коррозионного и механического износа. Покрытия системы TiAlCrN/TiAlYN рекомендуются для защиты в высокотемпературных условиях. Покрытия системы Cr/C с базовым слоем CrN существенно снижают коэффициент трения.

Кафедра «Физическое и прикладное материаловедение» предлагает технологию получения ионноплазменных нанокомпозиционных покрытий на стальных изделиях, включая рекомендации по подбору композиции и параметров покрытия, обеспечивающих заданный комплекс свойств в соответствии с требованиями заказчика. Контакты: д.т.н., профессор Кудряков Олег Вячеславович
тел. 8(863)2738365, моб. тел. +79094381020, e-mail: fipm-dstu@mail.ru, kudryakov@mail.ru