Document 546681

Аннотированный отчет проекта ОТР, выполненного в рамках ФЦП
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007 – 2013 годы»
о результатах ОТР по государственному контракту от «07» октября 2011г.
№16.523.11.3010 Шифр «2011-2.3-523-019-003»
1. Наименование ОТР: «Создание комплекса вакуумных и ионно-вакуумных технологий химико-термической обработки деталей машин с получением наноструктурированного состояния диффузионных слоев»
2. Характер ОТР: прикладное научное исследование
3. Руководитель ОТР: Каблов Евгений Николаевич.
4. Наименование организации, в котором проводится ОТР: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (МГТУ им. Н.Э. Баумана),
5. Сроки проведения ОТР: 07.10.2011 – 28.05.2013
6. Коды темы по ГРНТИ 55.21.19, УДК 621.785.532, № госрегистрации 01201250711
7. Приоритетное направление: Индустрия наносистем и материалов
8. Критическая технология: Нанотехнологии и наноматериалы
9. Плановое финансирование проекта: 470,771 млн. руб.
Бюджетные средства
- 244,8 млн. руб.,
Внебюджетные средства - 225,971 млн. руб.
10. Ключевые слова: ионно-плазменное азотирование, вакуумная цементация, вакуумная нитроцементация, нанострутурированный поверхностный слой, химикотермическая обработка.
1.
Цель исследования, разработки
1.1. Современные традиционные технологии изготовления и упрочнения высоконагруженных деталей из теплостойких сталей, в частности зубчатых колес редукторов
различного назначения, практически исчерпали свои потенциальные возможности. Проблема их изготовления из существующих конструкционных материалов состоит в разработке технологий, способных создавать специфическую ультрамелкозернистую ( УМЗ )
нано- или микрокристаллическую структуру в типовых деталях машин – зубчатых колесах, валах, подшипниках и др.
1.2. Целью работы является создание наукоемких экономически эффективных, конкурентоспособных технологий вакуумной и ионно-вакуумной химико-термической обработки деталей с получением наноструктурированного состояния диффузионных слоёв,
отличающихся экономией материалов и электроэнергии, экологической чистотой проведения процессов, обеспечивающих повышенные механические и эксплуатационные свойства деталей по сравнению с традиционными методами химико-термической обработки
для последующей коммерциализации при использования их для упрочнения нагруженных
узлов и деталей перспективной аэрокосмической техники, наземных, энергетических,
нефте-, газоперекачивающих, транспортных систем. Создание методологического комплекса подходов к разработке технологических процессов вакуумной и ионно-вакуумной
химико-термической обработки деталей, разработка методик оценки качества создаваемой
продукции в условиях производства.
Разработка комплекса вакуумных и ионно-вакуумных технологий химикотермической обработки деталей машин с получением наноструктурированного состояния
диффузионных слоёв, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств деталей и
создание опытно-промышленного производства ионно-вакуумной и вакуумной химикотермической обработки деталей
2. Основные результаты проекта
Разработанные технологические процессы ионно-плазменного азотирования (ТП1),
вакуумной цементации (ТП2), вакуумной нитроцементации (ТП3), комбиОТРованной
ионно-вакуумной и вакуумной химико-термической обработки (ТП4)
2)
Созданные технологические процессы позволяют добиться следующих характеристик:
1)

Повышение эксплуатационных свойств деталей:
- контактной выносливости в 1,3 - 1,5 раза,
- выносливости при изгибе в 1,2 - 1,3 раза,
- износостойкости в 5 – 10 раз.
По процессу ионно-плазменного азотирования ТП-1:
Контактная выносливость
1580 – 1633 МПа.
Выносливость при изгибе
860 - 950 МПа
Износ не более
0,0005 г/ч
Толщина азотированного слоя
0,3 -0,4 мм
По процессу вакуумной цементации ТП-2:
Контактная выносливость
1704 – 1763 МПа
Выносливость при изгибе
860 – 980 МПа
Износ не более
0,00022 г/ч
Толщина цементованного слоя
0,9 – 1,4 мм
По процессу вакуумной нитроцементации ТП-3:
Контактная выносливость
1706 -1768 МПа
Выносливость при изгибе
860 – 980 МПа
Износ не более
0,00022 г/ч
Толщина нитроцементованного слоя
0,8-1,2 мм
По процессу комбиОТРованной ионно-вакуумной и вакуумной химико-термической обработки ТП-4:
Контактная выносливость
1736 - 1793 МПа
Выносливость при изгибе
900 - 940 МПа
Износ не более
0,00034 г/ч
Толщина комбиОТРованного слоя слоя
0,8 – 1,4 мм




Сокращение продолжительности технологического цикла химико-термической обработки в 2 –3 раза.
Снижение расхода электроэнергии в 3 раза.
Снижение расхода используемых газовых сред в 10 раз.
3)
Основу разработки комплекса новых технологий вакуумной и ионно-вакуумной
химико-термической обработки составляют следующая научная новизна.

На основе теоретических и комплексных рентгеноструктурных и электронномикроскопических исследований разработаны фундаментальные закономерности
формирования наноструктурированного состояния нитридной зоны азотированного
слоя. Основу установленных закономерностей составляют научные положения физической природы формирования наноструктурированного азотированного слоя и его
триботехнических свойств. Впервые показано, что основу такого процесса составляет
фазовая перекристаллизация: фаз азотированного слоя, движущей силой которой слу-




4)
жит изменение по ходу процесса азотного потенциала газовой среды. Механизм перекристаллизации вызывает образование зародышей кристаллов новой фазы внутри
имеющейся (старой) фазы. В условиях циклического изменения значения азотного потенциала и многократной фазовой перекристаллизации на поверхности детали формируется наноструктурированный нитридный слой с размером кристаллов от 20 до 50
нм,
Теоретически обоснована концепция двухэтапной технологии поверхностного упрочнения; создание термически стабильного наноструктурированного (ультромелкозернистого) состояния обрабатываемой стали на первом этапе и использование такого состояния для ускоренного и качественного насыщения поверхностного слоя углеродом
или углеродом совместно с азотом на втором этапе.
Определено поведение в условиях вакуумной и ионно-вакуумной ХТО наноструктурированного состояния и действие факторов на структуру диффузионных слоев.
Установлено влияние наноструктурированного состояния на структурные характеристики диффузионного слоя.
Выполнен анализ механических свойств сталей после так называемых ложных процессов азотирования, цементации и нитроцементации, результаты которых оценивают
свойства сердцевины. Полученные результаты свидетельствуют о том, что наноструктурированное (ультромелкозернистое) состояние сталей обеспечивает сочетание высоких показателей прочности, пластичности и ударной вязкости. Значения предела текучести и временного сопротивления сталей соответствуют показателям высокопрочного
состояния, что предопределяет возможность диффузионному слою воспринимать высокие контактные нагрузки и тормозить развитие трещины усталости при циклически
изменяющихся напряжениях.
Как следует из большого числа опубликованных работ определяющих мировой
уровень, статическая прочность свойства сталей и сплавов в результате наноструктурирования могут увеличиваться в разы, см. например последний обзор по механическим свойствам нанокристаллических материалов: Y. Estrin, A. Vinogradov Extreme
grain refinement by severe plastic deformation: A wealth of challenging science, Acta
Materialia 61 (2013) 782–817 [1]. .как видно, например, из данных работы Ueno H,
Kakihata K, Kaneko Y, Hashimoto S, Vinogradov A., Acta Mater 59 (2011) 7060-7069,
рост предела статической прочности аустенитной нержавеющей стали AISI 316 L (типа отечественной стали Х18Н10Т) при увеличении числа проходов равноканального
углового прессования сопровождается увеличением предела усталостной прочности
при растяжении на базе 107 циклов лишь до 550 МПа, тогда как предел статической
прочности увеличивается от 200 до 1500 МПа Можно видеть, что если предел статической прочности при наноструктурировании может вырасти примерно в 7 раз, то предел
усталостной прочности на растяжение растет в лучшем случае, лишь в 2-2,5 раза.
Надо отметить, что и сами авторы цитированного выше новейшего обзора на основании анализа обширной литературы (более 400 источников) в отношении роста усталостной прочности на стр. 802 написали следующее: «Хотя показатели статической
прочности материала значительно улучшаются в результате измельчения зерна при
интенсивной пластической деформации, для многих металлов и сплавов показатели
прочности при многоцикловой усталости, в частности предел выносливости, в той же
степени не увеличиваются». Далее авторы этого обзора отмечают, при малоцикловой
усталости наноструктурирование приводит даже к снижению показателей прочности.
С другой стороны, согласно справочнику Американского Общества Материалов (ASM
Handbook, год издания 2005) предел изгиба при усталостных испытаниях на базе 107
циклов составляет около 500 МПа для низколегированной стали (Том 1, стр.1055,
рис.29) и углеродистой стали после цементации (рис.4) (Том 19, стр. 870, рис.8). Таким образом, полученное при выполнении настоящего проекта значение предела изгиба 900 МПа на базе 107 циклов примерно в два раза превышает наибольшие значения,
известные в литературе. В разделе отчета 4.13 было показано, что после ИПД размер
зерна исследуемых сталей уменьшается в 16 раз. Следует учитывать также вклад в сопротивление усталостному разрушению кардинальные изменения, вносимые ИПД не
только в микроструктуру, но и в тонкую субструктуру сталей. Фактически образцы
были подвергнуты обычной термомеханической обработке. Как известно, после такой
обработки предел выносливости при изгибе увеличивается примерно в 1,5 раза. Для
исследуемых сталей от обычных от 600, 700 МПа он возрастает до 900, 1000 МПа, что
подтверждается результатами проведенных испытаний. С достигнутых значений в 900
или 1000 МПа предел выносливости при изгибе можно увеличить до уровня требований ТЗ в 1380 и 1420 МПа применением дополнительных операций – электрополирования поверхности или ее упрочнения одним из методов пластического деформирования – обдувкой дробью, обкаткой роликами, чеканкой, алмазным выглаживанием.
Предел выносливости при изгибе при использовании этих методов может возрасти в
зависимости от исходной структуры от 1,5 до 3 раз.
3.
Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД),
полученные в рамках исследования, разработки

изобретение заявка № 2012124227 от 13.06.2012 «Способ азотирования деталей машин с получением наноструктурированного приповерхностного слоя и состав
слоя», РФ.

изобретение заявка № 2012149799 от 22.11.12 «Способ повышения механических свойств приповерхностных слоев деталей машин с помощью сочетания термомеханической и химико-термической обработки с получением микро или наноструктурированного слоя и состав слоя», РФ.

изобретение заявка №2013118077 от 19.04.2013 «Способ и устройство для
ускоренного азотирования деталей машин с использованием импульсов электромагнитного поля», РФ.

изобретение заявка №2013118075 от 19.04.2013 «Способ комбиОТРованной
химико-термической обработки деталей машин из теплостойких сталей», РФ.
4.
Назначение и область применения результатов проекта
4.1 Данные технологии могут быть использованы в частности для упрочнения нагруженных узлов и деталей перспективной аэрокосмической техники, наземных, энергетических, нефте-, газоперекачивающих, транспортных систем.
4.2 Результаты всего проекта позволят существенно увеличить эксплуатационные
свойства поверхностно упрочненных деталей машин.
5.
Эффекты от внедрения результатов проекта
5.1 Технологические процессы, в разрабатываемых технологиях, обеспечивают экономию материалов и электроэнергии, отличаются экологической чистотой проведения
процессов, позволяют повысить механические и эксплуатационные свойства деталей по
сравнению с традиционными методами химико-термической обработки. Комплексная
химико-термическая обработка, сочетая преимущества процессов ионного азотирования и
вакуумной цементации, позволит обеспечить высокую контактную долговечность при высокой износостойкости поверхности обрабатываемых деталей.
Результаты выполненных исследований позволяет заключить, что разработанные новые комплексные технологии вакуумной и ионно-вакуумной ХТО, использующие объемное и поверхностное наноструктурное (или ультрамелкозернистое) состояние сталей по
эффективности создания качественных диффузионных слоев с высокими показателями
механических свойств превосходят современные традиционные технологии изготовления
и упрочнения высоконагруженных деталей различного назначения.
6.
Формы и объемы коммерциализации результатов проекта
6.1 Проектом предусматривается несколько форм коммерциализации:

продажа лицензий

продажа технологической документации

обучение специалистов технологиям обработки

оказание услуг по обработке деталей
6.2 Основными рынками сбыта являются предприятия машиностроительного комплекса, заинтересованные в повышении эксплуатационных свойств тяжелонагруженных
узлов и деталей.
Потребителями интеллектуальной продукции (лицензии, технологическая документация, обучение специалистов) являются крупные российские материаловедческие и производственные центры, имеющие научно-производственную базу и специалистов в области
создания материалов и покрытий, технологий их производства, включая нанотехнологии.
Предполагаемые услуги, по упрочнению поверхностей деталей машин и узлов, могут
быть предприятия отраслей машиностроения, энергетики, газо-, нефтехимической индустрии, двигателестроения и т.п., в т.ч. ОАО «Газпром», ФГУП "НПЦ газотурбостроения
"САЛЮТ, ОАО «НПО «Сатурн», ОАО «МПП им. В.В. Чернышева», ОАО «Калужский
двигатель», ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение», ОАО
«УМПО», ГП «ЗМКБ «Прогресс» (Украина) и др.
Научно-практические результаты исследований процессов вакуумной нитроцементации и комбиОТРованной ХТО открывают возможность коренного улучшения традиционных технологий поверхностного упрочнения основной номенклатуры деталей действующих транспортных систем и систем нового поколения. Для реализации потенциальных
возможностей новых технологических решений требуется продолжений исследований для
создания промышленных технологий и их эффективного использования.
Объекты коммерциализации
1 Продажа лицензий на разработанные технологические процессы, млн.руб.
2 Коммерческая обработка деталей по разработанным технологиям, млн.руб.
3 Продажа
технологической
документации на разработанные
процессы, млн.руб.
4 Подготовка
квалифицированных кадров для реализации
новых процессов и обслуживания
вакуумного и ионно-вакуумного
оборудования, млн.руб.
Первый проректор – проректор
по научной работе
МГТУ им. Н.Э. Баумана
2014
25
2015
50
2016
105
2017
135
2018
160
50
100
215
240
265
10
15
20
30
30
5
5
10
15
15
_______________ В.Н. Зимин
Директор НОЦ НИКН
_______________ В.А. Нелюб