Утилизация отходов промышленного производства связана не только с решением экологических проблем, но и с повторным использованием материальных ресурсов. Чаще всего возвращаемые в производство материальные ресурсы стараются применить в той же технологической нише, где формировались сами отходы, через их переплавку или добавление в шихту. В данной работе предлагается альтернативный подход, позволяющий при утилизации стальной стружки получать функциональный порошковый продукт, который можно в дальнейшем использовать при создании порошковых металломатричных композитов. С помощью растровой электронной микроскопии и рентгенофазового анализа была исследована структура стружки в исходном состоянии (после токарной обработки заготовки из стали 45) и после дополнительного комплекса обработки (окисления и измельчения) с целью оценки степени трансформации ее структурно-фазового состояния в процессе переработки. Показано, что стружка после токарной обработки имеет сложный морфологический вид с неоднородным распределением кислорода и углерода. Растровая электронная микроскопия исходного состояния стружки позволила выявить отдельные включения оксидов размерами не более 5 мкм в удаленных друг от друга локальных местах. Однако небольшой совокупный объем и индивидуальный размер оксидных включений затруднили идентификацию этих фаз с помощью рентгенодифракционного метода. Дополнительное окисление с последующим измельчением в вибромельнице трансформирует структуру стальной стружки, повышая объемную долю оксидных фаз. Результаты проведенных исследований показали, что полученный порошок из переработанной таким образом стальной стружки представляет собой фактически металломатричный композитный материал с оксидными включениями на основе железной матрицы, который можно использовать в дальнейшем в разных порошковых технологиях.

Рассмотрены основные закономерности формирования структуры и фазового состава материалов системы Fe–Ti, перспективных для хранения водорода, при уплотнении взрывом порошковых смесей титана и железа. Установлено, что при использовании режима нагружения, обеспечивающего давление ударно-волнового сжатия Р = 11,5 ГПа и разогрев в падающей ударной волне до 777 °С, происходит уплотнение порошковой смеси до практически беспористого состояния за счет равномерного пластического растекания частиц в направлении, перпендикулярном направлению ударного сжатия. При более жестком нагружении (Р = 12,5 ГПа и t = 831 °С) также достигается монолитное состояние, но характер деформации частиц компонентов порошковой смеси принципиально изменяется: пластическая деформация частиц локализуется в их поверхностных слоях и имеет ярко выраженный струйный характер с образованием специфических «завихрений». Обнаружено влияние механизма пластического деформирования частиц порошка на процесс образования метастабильной интерметаллидной фазы Ti₂Fe с повышенной водородной емкостью. Установлено, что сплошные прослойки Ti₂Fe толщиной до 20 мкм формируются на границах контактирования частиц железа и титана лишь в случае реализации струйных течений поверхностных слоев частиц. Показано, что причиной подобного эффекта является локальный разогрев приконтактных областей до температуры выше 1085 °С, являющейся, в соответствии с диаграммой состояния системы Ti–Fe, минимальной для существования в ней жидкой фазы. Показано, что эффективным методом получения материалов на основе Ti₂Fe является совмещение взрывного прессования смеси порошков Fe и Ti и последующей термической обработки с нагревом до 1100 °С (реакционное спекание в присутствии жидкой фазы).

Представлены результаты исследования процесса растворения–осаждения и роста зерна кобальта при жидкофазном спекании порошковых материалов Cu–Sn–Co и Cu–Sn–Co–W. Образцы получали статическим прессованием смесей порошков технически чистых меди, олова, кобальта и вольфрама. Средний размер частиц кобальта составлял 1,6 мкм, вольфрама – 20 мкм. Часть образцов содержали механоактивированный вольфрам со средним размером частиц 0,14 мкм. Спекание материалов проводили в вакууме при температурах 820 и 1100 °С с выдержками 5, 20 и 120 мин. Структуру спеченных материалов исследовали методами сканирующей электронной микроскопии и оптической металлографии. Карты распределения элементов в материалах получали путем микрорентгеноспектрального анализа. Размеры зерна кобальта измеряли с помощью специализированного программного обеспечения. Наибольший размер зерна наблюдался в материале Cu–Sn–Co: после спекания при указанных температурах и выдержках он составлял 8–46 мкм. Установлено, что наиболее интенсивный рост зерна происходит в течение первых 20 мин спекания. Добавка порошка вольфрама в материал Cu–Sn–Co способствует формированию более мелкого зерна кобальта. Это объясняется тем, что частицы вольфрама, обладающего высокой поверхностной энергией, играют роль центров кристаллизации кобальта из жидкой фазы. Механическая активация порошка вольфрама увеличивает площадь его свободной поверхности и способствует усилению массопереноса Co через жидкую фазу к частицам W. Это позволяет ослабить осаждение вещества на крупных частицах Co и предотвратить их рост. В результате в материале Cu–Sn–Co–W, содержащем механоактивированный вольфрам, получены минимальные значения среднего размера зерна кобальта, находящиеся в диапазоне 3–25 мкм.

Разработка новых магнитотвердых материалов (МТМ) важна для удовлетворения постоянно растущих требований промышленности. Сегодня развитие энергетической, электротехнической и приборостроительной отраслей требует от производителей изделий из МТМ повышения энергоэффективности, мощности приборов при уменьшении их размеров и массы, что увеличивает интерес ученых к этим сплавам. Среди МТМ наибольшей магнитной энергией при меньших размерах и массе обладают магниты, полученные из редкоземельных элементов, таких как Sm и Nd (Nd₂Fe₁₄B, SmCo₅, Sm₂Co₁₇). Наилучшие характеристики надежности, прочности, коррозионной стойкости и высокую технологичность изготовления имеют сплавы на основе системы Fe–Cr–Co, что также делает их особенно востребованными среди МТМ. Создание магнита, в основе которого лежат две системы легирования Sm–Co и Fe–Cr–Co, может способствовать получению материала с уникальными свойствами, сочетающего в себе достоинства каждой из указанных систем. В работе исследован порошковый гистерезисный сплав 22Х15К4МС, легированный добавкой редкоземельного магнита марки КС25ДЦ в количестве от 1,5 до 9,0 %. Изучены микроструктура, кинетика превращений, фазовый состав и магнитные свойства разработанных сплавов. Установлено, что магнитные характеристики сплавов зависят от концентрации добавки редкоземельного магнита и режима термической обработки. Показано, что введение сплава КС25ДЦ в количестве 3 % позволяет достичь максимальных магнитных свойств легированного материала: H_c= 55,6 кА/м, B_r = 1,33 Тл, (BH)_max = 41 кДж/м³. Сочетание разработанного состава сплава и режима термической обработки позволяет повысить коэффициент прямоугольности петли магнитного гистерезиса (K_п) – одной из важнейших характеристик прецизионных гистерезисных электрических двигателей.

Исследована возможность дисперсного упрочнения порошковой быстрорежущей стали Р6М5К5 частицами гетерофазной керамики MoSi₂–MoB–HfB₂. В качестве исходного материала использованы: механически легированная порошковая смесь со средним размером частиц d = 10 мкм; измельченная порошковая керамическая добавка (d = 5 мкм), полученная методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Смешивание осуществлялось в планетарной центробежной мельнице. В результате получены частицы порошковой смеси размером 2–25 мкм, по форме, близкой к округлой, более крупные частицы представляли собой агломераты. Проведены холодное прессование и спекание с достижением плотности до 92,7 % и твердости 62 HRA, а также горячее прессование с плотностью заготовки 97,2 % и твердостью 65 HRC. Горячепрессованная заготовка имела прочность на изгиб 1141 МПа и на сжатие 2157 МПа. Показана перспективность применения гетерофазной керамики в качестве упрочняющей добавки, которая способствует снижению температуры образования жидкой фазы и образует ярко выраженную гетерогенную микроструктуру, схожую с микроструктурой металлостеклянных материалов. Матрица – твердый раствор на основе железа (со средним размером зерен 14–34 мкм) с сеткой из эвтектического карбида Мe₆С и включениями керамической добавки в виде соединений HfO₂, SiO₂ и HfSiO₄. Это обеспечило уменьшение в 2 раза приведенного износа при трибологических испытаниях в паре с контртелом из твердого сплава ВК6. Полученный композиционный материал, продемонстрировавший высокую красностойкость, может найти применение в изготовлении износостойких изделий, эксплуатируемых при температурах до 630 °C.

Работа посвящена созданию жаростойких покрытий системы Zr–Mo–Si–B. Рассматриваются вопросы, связанные с процессом осаждения покрытий методами магнетронного распыления на постоянном токе (DCMS, direct current magnetron sputtering) и в высокомощном импульсном режиме (HIPIMS, high-power impulse magnetron sputtering). Выполнен анализ плазмы газового разряда, исследована структура, определены механические характеристики и жаростойкость полученных покрытий. Установлено, что они являются рентгеноаморфными и характеризуются плотной малодефектной структурой с равномерным распределением элементов по толщине. Все покрытия обладают высокой стойкостью к окислению при температурах 1100 и 1300 °С. Переход от режима DCMS к HIPIMS привел к снижению глубины окисления на 16–21 % при температуре 1300 °С. Покрытие, полученное в режиме DCMS, имело максимальную толщину и показало лучшую стойкость к окислению при температуре 1500 °С. Высокая жаростойкость покрытий обусловлена образованием защитной поверхностной оксидной пленки Si:B:O с диспергированными в ней нанокристаллитами фаз t-ZrSiO₄ и m-ZrO₂.

Исследованы порошки из сплава TNM-B1 + Y₂O₃, полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Рассмотрено влияние параметров обработки частиц в термической плазме, генерируемой электродуговым плазмотроном постоянного тока, на морфологию и структуру сферических частиц. Установлено, что плазменная обработка существенно изменяет форму частиц и позволяет получить продукт с высокой степенью сфероидизации (от 88 до 97 %), которая зависит от температуры потока плазмы, состава плазмообразующего газа и количества обрабатываемого материала. При использовании водородсодержащей термической плазмы степень сфероидизации может достигать 99 %. При этом снижаются концентрации примесного кислорода с 0,8 до 0,13 мас. %, азота в 2 раза и существенно падает концентрация водорода. Проведены исследования по отработке режимов селективного лазерного сплавления, в результате чего были построены образцы с минимальным количеством дефектов. При этом оптимальная объемная плотность энергии лазера составила 40–50 Дж/мм³. Процесс газостатической обработки позволил достичь практически полной однородности структуры образцов и отсутствия пор. Дополнительно проведенная термическая обработка при t = 1380 °С и τ = 120 мин способство­вала преобразованию исходной равноосной структуры сплава в ламеллярную. По результатам термомехани­ческих испытаний по схеме одноосного сжатия в диапазоне температур от 800 до 1100 °С установлено, что сплав с ламеллярной структурой после операций селективного лазерного сплавления, горячего изостатического прессования и термической обработки имеет повышенные на 80–100 МПа значения прочности по сравнению с глобулярной структурой. Механические свойства сплава с ламеллярной структурой составили при t = 800 °С: модуль упругости E = 115,2 ГПа, предел текучести σ_0,2 = 528 МПа, предел прочности при сжатии σ_в = 1148 МПа, а при t = 1100 °С – E = 48,2 ГПа, σ_0,2 = 98 МПа, σ_в = 149 МПа.

Запорно-регулирующая аппаратура является важной частью системы транспортировки жидкости и газов, поэтому ее бесперебойная работа зависит от качества и свойств поверхности деталей. Один из способов улучшения ее свойств – это ионное азотирование, которое активно применяется в России, Израиле, Болгарии, Беларуси, Австрии и других странах. Этот метод прост в управлении и контроле, универсален для всех видов сталей и сплавов, экологически безопасен, обеспечивает размерную и чистовую точность, повышает эксплуатационные свойства деталей. В настоящей работе приведены обобщенные результаты исследований формирования модифицированных слоев на сталях, применяемых в арматуро­строении. Стали марок 20Х13, 07Х16Н6, 14Х17Н2, 12Х18Н10Т упрочняли методом ионного азотирования. Впервые представлены сравнительные данные, получаемые на оборудовании разных производителей. В ходе работы проведены комплекс металлографических исследований, дюрометрический анализ, а также рассмотрено распределение твердости по глубине модифицированного слоя. Установлено, что на сталях с содержанием более 12 % Cr образуется четко выраженный диффузионный слой, который выявляется темным цветом после травления 4 %-ным раствором азотной кислоты. Однако общая глубина слоя, которая оценивается по распределению микротвердости в глубь детали, больше на 20–40 %, чем выявляется по микроструктуре. Микротвердость поверхности после ионно-плазменного азотирования увеличилась в 5 раз на стали 07Х16Н6. Таким образом, упрочнение с использованием этого метода деталей запорно-регулирующей арматуры решит проблему быстрого износа поверхности. За счет ее модифицирования можно повысить эксплуатационные свойства деталей и обеспечить бесперебойную работу трубопроводной системы.