Коллектив ученых Национального исследовательского университета «МЭИ», Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) и Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета разработал технологию повышения поверхностной твердости и износостойкости стальных изделий. Исследователи обнаружили, что лазерная обработка и создание упрочненных наноуглеродными материалами поверхностных слоев повышают твердость модифицированного материала более чем в пять раз по сравнению с наиболее распространенной технической сталью. Результаты работы опубликованы в журнале Физика металлов и металловедение (Physics of Metals and Metallography).


Поверхностное армирование стали позволяет повысить прочность и эксплуатационные свойства деталей машин и инструментов, работающих в условиях износа и контактных нагрузок. Обычно, для того чтобы изменить физические или химические свойства материала применяют технологию легирования – добавки в сталь примесей. Этот метод можно существенно улучшить если использовать такие наноуглеродные материалы, как фуллерен, графен или наноуглеродные трубки, и лазер для обработки поверхности.

 

По словам доктора технических наук, заведующего лабораторией аналитических методов исследования вещества Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН Григория Чурилова преимуществом лазерного метода является возможность бесконтактной, быстрой и строго дозированной передачи энергии на обработанную поверхность металла.

 

Российские ученые проверили, как мощность лазерного излучения влияет на твердость поверхности и коэффициент трения технического железа, модифицированного наноуглеродом. В качестве наноматериала использовали сажу, которая получается при производстве фуллеренов в дуговом разряде с графитовыми электродами. Исследователи зафиксировали немонотонную зависимость прочности образца от энергии лазерного воздействия с максимумом в области 100 – 150 Джоулей на квадратный сантиметр. Такая энергия в несколько раз превышает энергию пламени газовой конфорки, необходимую для кипячения 1 литра воды.

после лазерной обработки.jpg 

Микроструктура поверхности технического железа после лазерной обработки. Изменение структуры поверхности с ростом мощности лазерной обработки (по часовой стрелке, наименьшая мощность – левый верхний квадрат) 

 

Ученым удалось подобрать такие мощности, при которых поверхность металла не плавится и в то же время наблюдается значительное увеличение его прочности. Как правило, твердость материала была максимальна в центре зоны воздействия пучка лазера и уменьшалась к краям. Неоднородное распределение твердости усиливало износостойкость поверхности, поскольку металлический сплав, образованный из мягкого основания и жестких включений, имел меньший коэффициент трения.

 

После обработки лазером твердость железа, покрытого наноструктурированным углеродом, увеличилась более чем в пять раз по сравнению с наиболее распространенной технической сталью. Коэффициент трения усиленного материала оказался на 20-30% ниже, чем у исходных образцов технического железа в условиях сухого контакта поверхностей.

Наряду с наноуглеродной сажей для упрочнения стальной поверхности использовались другие типы наноуглеродных материалов, такие как фуллерены и оксид графена. Для обработки поверхности с наноуглеродным покрытием применялось не только лазерное излучение, но также пучок быстрых электронов. При этом максимальный эффект упрочнения (до 8 раз) наблюдался в случае использования фуллеренов с последующей лазерной обработкой, а наибольшая глубина упрочненного слоя получена в результате обработки поверхности электронным пучком.

 

 «Твердость и износостойкость сталей, особенно содержащих соединения углерода, азота или бора, значительно улучшаются после лазерной обработки. Кроме того, лазерное нагревание не вызывает деформации продуктов, что сокращает технологический процесс, поскольку нет необходимости в дополнительной обработке металлических изделий», - объяснил доктор физико-математических наук, научный сотрудник Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт» Александр Елецкий.

 

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН

Mechanism of Surface Reinforcement of Steels by Nanocarbon Materials Using Laser Heating / G. S. Bocharov, A. V. Eletskii, O. S. Zilova,  E. V. Terentyev, S. D. Fedorovich, O. V. Chudina, G. N. Churilov // Physics of Metals and Metallography. 2018. Volume 119, Issue 2. P. 197–201. 

Источники

Лазер и сажа: в Сибири нашли способ повысить твердость стали
Мир24 (mir24.tv), 04/04/2018
Российские ученые повысили твердость стали с помощью лазера и наночастиц
НИА Наука (sibscience.com), 04/04/2018
В России разработали метод повышения твердости стали с помощью лазера и "наносажи"
Margust (gazeta-margust.ru), 04/04/2018
В России разработали метод повышения твердости стали с помощью лазера и "наносажи"
ТАСС, 04/04/2018
Российские ученые разработали метод повышения твердости стали в 5-8 раз
Vistanews.ru, 05/04/2018
Российские ученые повысили твердость стали с помощью лазера и наночастиц
Наука в Сибири (sbras.info), 05/04/2018
Сажа и лазерный обстрел увеличили прочность стали в пять раз
Чердак (chrdk.ru), 05/04/2018
Сибирские ученые сделали сталь в восемь раз прочнее
События дня (inforu.news), 08/04/2018
Сибирские ученые сделали сталь в восемь раз прочнее
Российская газета (rg.ru), 08/04/2018
Сибирские ученые сделали сталь в восемь раз прочнее
Экология и жизнь (ecolife.ru), 09/04/2018
Новая обработка. Красноярские ученые в разы увеличили плотность стали
SmartNews.ru, 09/04/2018
Российские ученые повысили твердость стали с помощью лазера и наночастиц
Федеральное агентство научных организаций (fano.gov.ru), 10/04/2018
Сибирские ученые сделали сталь в восемь раз прочнее
Барнаульский городской портал (barnaul-altai.ru), 11/04/2018
Российские ученые повысили твердость стали с помощью лазера и наночастиц
АНО Модернизация (i-russia.ru), 11/04/2018
Ученые повысили твердость стали с помощью лазера и наночастиц
Научная Россия (scientificrussia.ru), 17/04/2018
Российские ученые придумали, как сделать сталь прочнее. Им помог лазер
Ящик пандоры (pandoraopen.ru), 12/05/2018
Российские ученые придумали, как сделать сталь прочнее. Им помог лазер
123ru.net, 12/05/2018
Российские ученые придумали, как сделать сталь прочнее. Им помог лазер
SMIonline (so-l.ru), 12/05/2018
Российские ученые придумали, как сделать сталь прочнее. Им помог лазер
livejournal.com, 12/05/2018
Томские ученые создали изменяющийся лазер
БезФормата.Ru Подмосковье (podmoskovye.bezformata.ru), 13/05/2018
Томские ученые создали изменяющийся лазер
Открытая Дубна (open-dubna.ru), 13/05/2018
Российские ученые нашли способ сделать сталь прочнее
Geopressa.ru, 17/05/2018
Российские ученые нашли способ сделать сталь прочнее
Xoroshiy.ru, 16/05/2018
Российские ученые нашли способ сделать сталь прочнее
SVcomercio.info, 16/05/2018

Похожие новости

  • 13/04/2018

    Дилатометр измерит деформации космических материалов в вакууме

    Ученые из Института физики им. Л.В. Киренского Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) разработали измерительную ячейку для исследования свойств материалов при температурах близких к абсолютному нулю.
    363
  • 27/11/2017

    Композиционный материал из графена и дисульфида ванадия повысит емкость и скорость заряда литий-ионных батарей

    ​Ученые из Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН совместно с коллегами из СФУ и Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» предложили использовать соединение графена с монослоем дисульфидом ванадия в качестве анодного материала для литий-ионных батарей.
    1129
  • 22/12/2016

    Ученые разрабатывают концепцию технического задания для РЖД

    ​Концепцию создания в нашей стране вакуумно-левитационной транспортной системы одобрили участники заседания Объединенного ученого совета ОАО "РЖД". Председатель совета профессор Борис Лапидус сообщил, что в течение года специалисты ряда научных организаций разрабатывали основные параметры принципиально нового вида сообщений.
    986
  • 13/04/2018

    Три космических проекта красноярских ученых

    ​Космические технологии — один из приоритетов программы развития ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН». Уже сегодня ученые центра прогнозируют климатические и природные особенности Земли с помощью снимков с орбиты, разрабатывают замкнутые системы жизнеобеспечения для длительного пребывания человека в космосе и создают новые материалы, защищающие спутники от перегрева.
    361
  • 01/11/2017

    Сибирские ученые изучили новый тип нанопластин для применения в медицине

    ​Ученые из Института физики имени Л. В. Киренского Красноярского федерального исследовательского центра Сибирского отделения РАН совместно с коллегами из Сибирского федерального университета впервые изучили магнитные свойства, структуру и состав новых наночастиц семейства халькогенидов (элементов 16-й группы периодической системы, к которым относятся кислород, сера, селен, теллур, полоний и ливерморий).
    809
  • 14/06/2018

    Наночастицы нитрида титана повысят производительность оптоволоконных линий связи

    Ученые Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) совместно с коллегами из Сибирского федерального университета, Сибирского государственного университета науки и технологий им.
    499
  • 15/06/2018

    Китай, Россия и Беларусь будут сотрудничать в сфере материаловедения и аэрокосмической техники

    ​Китай, Россия и Беларусь договорились об углублении сотрудничества в сфере материаловедения и авиатехники. Соответствующие документы были подписаны в городе Наньчан, административном центре провинции Цзянси на востоке Китая.
    355
  • 25/10/2016

    Экспериментальная установка покажет, как бороться с перегревом термоядерного реактора

    Ученые Института ядерной физики СО РАН им. Г.И. Будкера (ИЯФ СО РАН), Московского энергетического института (НИУ МЭИ) и ОИВТ РАН создали экспериментальный стенд РК-3, на котором будут проводиться исследования гидродинамики и теплообмена жидкометаллических теплоносителей в условиях ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor) и других термоядерных реакторов-токамаков.
    1261
  • 07/02/2018

    «Экран-оптические системы» будет работать по технологиям ИФП СО РАН

     Институт физики полупроводников им А. В. Ржанова СО РАН и АО «Экран-оптические системы» подписали соглашение о сотрудничестве, в рамках которого в институт будет поставлено промышленное оборудование для производства полупроводниковых гетероструктур — необходимого компонента электронной базы современных телекоммуникационных систем, систем связи и цифровой экономики.
    768
  • 04/10/2018

    Физики впервые получили спиновый ток при помощи лазера

    Исследователи из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН в сотрудничестве с зарубежными коллегами впервые показали, что с помощью сверхкоротких лазерных импульсов можно генерировать гигагерцовый спиновый ток.
    388