Резюме PhD (Исследование механических свойств и структуры конструкционных материалов, модифицированных ультрадисперсными частицами минералов)

Общество с ограниченной ответственностью«Научно-производственное объединение «Геоэнергетика»Сказочкин Александр ВикторовичИсследование механических свойств и структурыконструкционных материалов, модифицированныхультрадисперсными частицами минераловРЕЗЮМЕ ДИССЕРТАЦИИна соискание ученой степени кандидата наук НИУ ВШЭИнженерные науки и прикладная математикаНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорБондаренко Геннадий ГермановичМосква – 20181Актуальность исследования и постановка проблемыАктуальность исследования состоит в наличии проблемы повышенногоизноса деталей пар трения, работающих в агрессивной среде: абразиверазличного происхождения, термоциклических нагрузкахв широкомдиапазоне температур, атмосфере сероводорода и других газов, морской воде,растворах кислот.В этих условиях резко возрастает износ и коррозионное повреждениеповерхностных слоев узлов трения машин и механизмов, что приводит кзначительным затратам на ремонт и производство запасных частей.

Обычныеконструкционныеконструкции,материалы,зачастуюизносостойкостиинеобеспечивающиеудовлетворяюткоррозионнойобщуютребованиямстойкости.Дляпрочностьвысокойустраненияи/илиторможения процессов, протекающих на границе металл-среда и негативновоздействующих на работоспособность материалов, применяют различныевиды поверхностной обработки.Разработаны,хорошоисследованыиполучилиширокоераспространение такие методы повышения твердости металлических деталейкаказотирование,цементация,другиеметодымодифицированияповерхности, а также методы создания покрытий, защитных пленок и слоевгальваническими методами,методами термической обработки, ионно-плазменной обработки, микродугового оксидирования, газоплазменногонапыления и другими.

Только методов модифицирования поверхности насегодняшний день известно несколько сотен. Каждый из методов обработкиповерхности имеет свои достоинства и недостатки, а также ограничения приприменении. К достоинству многих из этих методов можно отнестиотносительно невысокую стоимость, высокую скорость создания покрытий, кнедостаткам – проблемы адгезии, появление дефектов, ограничения,накладываемые размером ванн, печей, вакуумируемого пространства,2изменение геометрии детали после обработки. К недостаткам многихметодов можно также отнести невысокую экономическую эффективность,так как часто процессы создания слоев или покрытий сопровождаютсядлительнымвысокотемпературныммассогабаритныхразмеров,хрупкостьюнагревом,получаемыхограничениемслоев.Высокиетемпературы могут приводить к изменению структуры металла, снижениюпрочностных свойств, поводкам и низкому выходу годного.

Поэтомуактуальным является развитие других методов модификации металлическойповерхности с минимальным или низким термическим воздействием.Одной из эффективных технологий создания защитных слоев надеталях пар трения, при эксплуатации показавших хорошие результаты,является технология минеральных покрытий. Суть технологии заключается всоздании модифицированного поверхностного слоя, обычно толщиной 5 –30мкм,путемегопластическогодеформированияспомощьюультразвукового и механического воздействий, активирующих вхождениеультрадисперсных частиц минералов в объем металла, а также процессов,пока охраняемых в режиме ноу-хау.Прикладные исследования по развитию технологии минеральныхпокрытий и результатам ее применения в разное время проводились последующим направлениям: исследования свойств минеральных материалов;исследование свойств покрытий из минеральных материалов и технологии ихформирования; исследование параметров и характеристик деталей, узлов имеханизмов с минеральными покрытиями.В настоящее время используются около 80-ти видов минеральныхматериалов для создания многофункциональных минеральных покрытий.Фундаментальной базой прикладных исследований по использованиюминеральных материалов для создания покрытий являются работы покристаллохимии и кристаллографии В.В.

Зуева, Ю.В. Холопова, С.Ю.3Лазарева. Виды используемыхматериалов определяют по составу иколичеству примесей, структурно-фазовому состоянию входящих в смесикомпонентов и другим признакам. Классификация природных минеральныхматериалов, используемых для повышения параметров деталей, узлов имеханизмов, пока не устоялась и ждет своего исследователя, владеющегосистемным подходом и имеющего доступ к информации о составах смесей.Исследование свойств покрытий из минеральных материалов итехнологии их формирования были начаты с момента создания базовыхпроцессных шагов технологии минеральных покрытий. Большинство работпосвящено прикладным исследованиям свойств и параметров покрытийконкретных деталей и механизмов, в частности, узлах управления турбин длягеотермальных станций, подшипников, работающих на водяной смазке,деталях двигателей внутреннего сгорания, деталей турбин, зубчатых колес идругих.

Были исследованы механизмы износа конкретных деталей сминеральными покрытиями, изменения коэффициента трения деталей,величины адгезионных чисел ряда материалов с минеральным покрытием,стойкость покрытий в некоторых агрессивных средах.Несмотря на имеющийся задел выполненных научных работ поисследованию свойств деталей, подвергнутых воздействию технологииминеральных покрытий, оказалось, что микроструктура модифицированногоминералами слоя так и не была исследована.

До недавнего времени былонеизвестно, что же представляет металлическая поверхность в результатеприменения процессов технологии минеральных покрытий: это покрытиеили модифицированный слой.Такженужноотметить,чтокэкспериментальнымданным,опубликованных во многих статьях, имеется много вопросов, остающихсябез ответа из-за отсутствия важных деталей, что приводит к тому, что частьэкспериментов невозможно повторить и корректно интерпретировать, атакже использовать при расчетах. Существует проблема корректности4измерения физико-механических свойств тонких покрытий и тонкихмодифицированныхслоев,возникающаяиз-заналичияфакторов,приводящих к методическим ошибкам для некоторых методов измеренияизносостойкости, твердости, модуля упругости. Наиболее значительнымифакторами, вносящими искажение при регистрации отклика,являютсяшероховатость поверхности, остаточные напряжения и влияние подложки.Одним из способов, лишенным некоторых указанных выше недостатков,является метод склерометрии, который пока не использовался при измерениипараметров поверхности после модификации ультрадисперсными частицамиминералов.

Различные физические модели металлической поверхности,модифицированной частицами минералов и сущностные причины, лежащиев их основе, могут быть проверены, в том числе на основе качественныхэкспериментальных данных.Такие возможности технологии, как возможность формированияминеральныхслоевнадеталяхвозможностьмодификациисложнойповерхностиформыприиконфигурации,относительнонизкихтемпературах создания слоев, без изменения геометрических размеровопределили еще один объект для применения – резьбы и резьбовыесоединения вида муфта-ниппель из различных видов сталей, используемых всудостроении,нефтегазодобыче,машиностроении,триботехническиепараметры которых до недавнего времени оставались неизвестными.Очевиднаактуальностьисследованияизносостойкостирезьбовыхсоединений с минеральными покрытиями для увеличения ресурса деталей изстали.Другой проблемой является изменение триботехнических параметровприлокальноми/илиобщем нагреве,котороеможетпривестикинтенсификации разрушительных процессов на поверхности и в объемедетали, что влияет на ее износостойкость и ресурс.

Нагрев при работе ипоследующее ускорение процесса изнашивания, например, подшипников5скольжения и качения, редукторов, червячных передач и других деталейявляетсятипичнымслучаем,возникающимприработеразличныхмеханизмов и устройств, особенно большой массы. Поэтому уменьшениекоэффициента трения или его стабилизация при нагреве, снижениетемпературы трущихся металлических поверхностей является актуальнойзадачей материаловедения практически для всех отраслей промышленности.Определениетемпературнойзависимостикоэффициентатренияметаллической детали, позволяет в некоторых случаях прогнозироватьресурс различных деталей и может служить базовым экспериментом припрогнозировании свойств различных деталей с минеральными покрытиями вдругих случаях.Цель и задачи диссертационного исследованияЦелью работы является получение новых данных об измененияхструктуры поверхности и приповерхностных слоев, а также механическихсвойств ряда конструкционных материалов (низкоуглеродистых сталей,сплавов титана и алюминия), модифицированных ультрадисперснымичастицами минералов, для разработки эффективных способов улучшениятрибологическиххарактеристикматериаловиизделийизнихвэксплуатационных условиях.В настоящей работе были решены несколько актуальных практическихзадач:- получение новых данных об изменениях структурыметаллическойповерхности и приповерхностных слоев образцов из ферритно-мартенситнойхромистой стали и титанового сплава ВТ6 (Тi-Аl-V) при созданииминеральных покрытий;- получение новых данных о механических свойствах титанового сплава ВТ6(Тi-Аl-V), модифицированного ультрадисперсными частицами минералов,используя метод склерометрии для минимизации влияния подложки;6- получение новых данных о температурных зависимостях коэффициентатренияобразцовизстали,модифицированныхультрадисперснымичастицами минералов, с различной шероховатостью поверхности;- улучшение трибологических параметров образцов из низкоуглеродистойстали с минеральным покрытием для определения возможности ихиспользования при изготовлении запорной арматуры;-улучшениетрибологическиххарактеристикрезьбовыхсоединенийнескольких видов стальных труб, после модификации их поверхностичастицами минералов, для определения возможности их использования напредприятиях нефтегазового сектора.Объектом диссертационного исследования являются конструкционныеметаллические материалы (низкоуглеродистые стали, сплавы титана иалюминия), модифицированные ультрадисперсными частицами минералов.Предметом исследования являются механические свойства и структураметаллических сплавов (низкоуглеродистых сталей, сплавов титана иалюминия), модифицированных частицами минералов.Методологическая база исследованияЭкспериментальные данные получены с применением современного,высокоточногоиметрологическиаттестованногооборудованияпостандартным методикам и ГОСТам.Микрофотографии структуры поверхности образцов были получены спомощью сканирующего электронного микроскопа Supra 40, оснащенногодетектором ЭДРС "X-Flash", а также программным обеспечением "Quantax4000".Измерение шероховатости поверхности проводилось на профилометре,модель 130, предприятие-изготовитель «ПРОТОН МИЭТ».Измерение твердости и модуля упругости проводилось с помощьюнанотвердомера «НаноСкан-4D».