Новые металлические материалы и технологии их обработки

Новые металлические материалы и технологии их обработки

Руководитель: заслуженный изобретатель РФ, академик РАЕН, д.т.н., профессор Афанасьев В.К.
Ведущие и перспективные ученые школы: М.В. Попова, доктор технических наук, доцент; М.В. Чибряков, доктор технических наук, профессор; А.Н. Прудников, кандидат технических наук, доцент.
Главное научное направление Школы: исследование закономерностей формирования структуры и свойств металлических материалов с учетом влияния и определяющей роли элементов внедрения – водорода, азота и кислорода.
Фундаментальной составляющей научных исследований является:
– создание физических механизмов формирования структуры металлических сплавов в процессе кристаллизации на наноуровне, предусматривающих ведущую роль атомарного водорода;
– выявление закономерностей конкурирующего влияния элементов внедрения на процессы формирования механических и физических свойств металлических материалов при деформации и термической обработке.
Прикладной составляющей научных исследований является:
– разработка принципов рационального легирования металлических материалов, позволяющих уменьшить содержание в сплавах традиционных дорогостоящих легирующих элементов за счет обоснованного введения элементов внедрения;
– разработка составов новых материалов на основе железа и алюминия, содержащих в качестве полноправных легирующих элементов водород и азот, и обладающих лучшим комплексом свойств по сравнению с имеющимися;
– разработка технологий обработки металлических сплавов, базирующихся на предложенных теоретических механизмах, позволяющих улучшить свойства уже имеющихся материалов и получить новые материалы с уникальным сочетанием свойств.
Основные научные достижения школы:
Исследованы основные аспекты фундаментальной проблемы физиче-ского материаловедения, связанной с определением сущности процесса расширения металлов и сплавов при нагреве, выявлен механизм этого процесса и связь его со структурой и физико-механическими свойствами металлических материалов.
Установлены физические закономерности влияния различных воздействий, предусматривающих изменение содержания атомарного водорода в алюминии и железе технической чистоты, сплавах на основе алюминия и железа (углеродистая сталь, серый и белый чугун) на их тепловое расширение. Установлено наличие аномальных эффектов, характеризуемых отрицательным значением коэффициента линейного расширения. Проведены теоретические исследования причин этих аномальных явлений и представлены рекомендации для их практического использования.
Предложен и подтвержден экспериментальными исследованиями но-вый механизм теплового расширения, предусматривающий ведущую роль водорода и учитывающий, что степень его влияния зависит от соот-ношения водорода и азота в сплаве.
Разработан механизм воздействия элементов внедрения, то есть водорода, азота и кислорода на удельное электросопротивление термоциклированной малоуглеродистой стали. Показано, что водород является основным элементом внедрения, существенно повышающим удельное электросопротивление всех металлов. Рекомендованы схемы пластической деформации малоуглеродистой стали, обеспечивающие минимальное содержание водорода.
Предложен и подтвержден экспериментальными исследованиями но-вый механизм формирования выделений графита в чугуне. Обоснованы представления о выделениях графита в чугуне как об одном из видов водо-родной хрупкости.
Разработаны способы обработки расплава серого чугуна, подавляющие процесс графитизации, полностью устраняющие выделения графита и превращающие серый чугун в белый, с гораздо более высокими свойствами.
Разработаны способы термической обработки, позволяющие провести частичное устранение химической неоднородности и получить специальные свойства нового чугуна без выделений графита (износостойкость, жаропрочность, коррозионную стойкость) более высокие, чем у легированных специальных чугунов.
Созданы и испытаны в производственных условиях оригинальные ресурсосберегающие технологии:
- производства низкоуглеродистых сталей с комплексом высоких механических, физических и химических свойств;
- производства высокоуглеродистых малолегированных чугунов без выделений графита, обладающих хорошими эксплуатационными свойствами.
Разработаны научные основы создания алюминиевых сплавов специ-ального назначения (сплавы для приборостроения с малым тепловым расширением), предложена эффективная технология производства поршневых сплавов системы Al-Si.
Разработаны теоретические представления о сущности процессов по-лучения и переработки отходов металлургического производства.
Новизна и приоритет предложенных технических и технологических решений подтверждены получением патентов РФ на изобретения.
Исследования научной школы выполнялись и выполняются в настоя-щее время в рамках научных государственных программ (программа "Ме-талл" ГКПО СССР, программа "Сибирь" СО АН СССР), по комплексной региональной программе "Стабильное развитие Кузбасса: Человек–природа–ресурсы–прогресс", при поддержке грантов Министерства образования РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук, в соответствии с тематическим планом НИР (фундаментальные исследования) по заданию Министерства образования РФ, а также по Федеральной целевой программе "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники. Проведение научных исследований молодыми учеными". Коллектив научной школы участвует также в выполнении Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., целью которой является стимулирование за-крепления молодежи в сфере науки, образования и высоких технологий.
Результаты теоретических и прикладных исследований нашли применение на ряде предприятий металлургической промышленности и машиностроения (ОАО «НКМК», ОАО «ЗСМК», ОАО «Новосибирский инструментальный завод», ОАО «Юргинский машиностроительный завод», ОАО «Томский инструмент» и др.), а также в учебном процессе ГОУ ВПО «СибГИУ» при написании учебных пособий, чтении лекций, проведении курсовых и дипломных научно-исследовательских работ.
В 2009 году инновационный проект, подготовленный руководителем и коллективом научной школы на тему: "Разработка способов обработки чугунного расплава, исследование свойств белого нелегированного чугуна и доработка установки для производства электродов" стал победителем конкурса «СТАРТ-2009», проводимого Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Согласно заключенному контракту, Фонд финансирует создание и развитие малой наукоемкой компании (фирмы), производящей продукцию, основанную на принадлежащих ей правах на интеллектуальную собственность. Общая стоимость проекта, финансируемого Фондом в течение трех лет, составляет 11 млн. рублей.
В 2009 году коллективом научной школы был создан и зарегистрирован научно-образовательный центр «Создание новых положений физического материаловедения объемных наноматериалов и ресурсосберегающих технологий их получения и обработки» для проведения совместных научно-исследовательских работ и подготовки кадров высшей квалификации по направлению «Физическое материаловедение».
За последние 5 лет защищена 1 кандидатская диссертация, издано 2 монографии, опубликовано 18 статей в журналах рекомендованных ВАК и 16 в зарубежных изданиях, получено 13 патентов, проведено 5 научных конференций. Объем выполненных НИР составил 7272,9 тыс. рублей.