Развитие инновационных технологий по материаловедению в промышленности и образовании Забайкальского края

традиции и инновации в вузе

УДК 913

ББК 606

С.Ф. Забелин

г. Чита

Развитие инновационных технологий по материаловедению в промышленности и образовании Забайкальского края

Представлен исторический аспект организации научных исследований и практического применения материаловедения в технологиях промышленных предприятий нашего региона. Тематика исследований и разработок: технологии термической и химико-термической обработки в нестационарных режимах воздействия, нанотехнологии и наноматериалы (технологические и методологические аспекты наноматериаловедения). Показаны возможности и необходимость проведения таких исследований и разработок в нашем регионе, а главной задачей является — организация образовательного процесса подготовки специалистов материаловедов.

Ключевые слова: развитие инновационных технологий, материаловедение, материаловед, образование, промышленность.

S.F. Zabelin

Chita

The development of innovation techniques on materials science in industry and education of Zabaikalsky krai

The paper presents a historical aspect of organization of research work and application of materials science in industrial technologies of enterprises of our region. The subjects of investigations are heat treatment and surface treatment technologies in non-steady states, nanotechnologies and nanomaterials (technological and methodological aspects of nanomaterials science). The author demonstrates the possibilities and the necessity of such investigations in our region, but the main task is to organize the training process of the specialists in this sphere.

Key words: the development of innovation techniques, materials science, material engineer, education, industry.

Научные исследования и технологические разработки в области материаловедения и термической обработки материалов являются базовыми для совершенствования технологий в различных отраслях промышленности (машиностроение, металлургия, горное дело и др.) и основой развития других направлений науки и техники (наноматериалы и нанотехнологии, физическое материаловедение). Потребность в этой области знаний и применений высоких технологий и новых материалов является необходимым условием рентабельного и конкурентоспособного производства.

Началом организации научных исследований и практического применения материаловедения в промышленных разработках предприятий нашего региона следует считать создание в 1974 г. Читинского политехнического института и открытие в 1977 г. кафедры «Металловедение и ТКМ» (зав.каф. Ю.Н. Гапонов, доцент

В.С. Гроховский, стар. науч. сотр. С.Ф. Забелин, преподаватели: Л.И. Чекина, Н.Я. Добрынина и Т.А. Кулинич).

Научная работа кафедры была нацелена на исследования закономерностей влияния режимов термоциклического воздействия на структуру и свойства конструкционных материалов и разработку технологий упрочнения изделий машиностроительного назначения [см.: 1; 2; 3]. Исследования и разработки осуществлялись при сотрудничестве с лабораторией порошковых материалов (д.т.н. М.Х. Шоршоров, д-р техн. наук А.С. Тихонов) Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (ИМЕТиМ РАН г. Москва), в котором прошли обучение в аспирантуре С.Ф. Забелин (1980 — 1983 гг.) и В.А. Зеленский (1981 — 1984 гг.) по специальности 05.16.01. - Металловедение и термическая обработка металлов (МиТОМ).

Выполнение госбюджетных и хоздоговорных работ по НИСу ЧитПИ и совместных исследований с ИМЕТиМ РАН позволило внедрить результаты исследований и разработок на промышленных предприятиях нашего региона и страны:

1) на Читинском станкостроительном заводе - эффективные технологии термической и химико-термической обработки (цементации) направляющих и других деталей заточных и шлифовальных станков (Ю.Н. Гапонов, С.Ф. Забелин, В.А. Зеленский, 1978—1984 гг.);

2) на Забайкальском заводе подъемнотранспортного оборудования - смягчающие и упрочняющие технологии термической об-

работки изделий из серого и белого чугуна и стальных сварных соединений (Ю.Н.Гапонов,

С.Ф. Забелин, В.С. Гроховский, 1979—1987 гг.);

3) на Дарасунском заводе горного оборудования - упрочняющие технологии химикотермической обработки (борирование, азотирование) головок бурильных машин и других деталей (В.С. Гроховский, С.Ф. Забелин, С.Г. Подшива-лов, 1978—1987 гг.);

4) на Читинском машиностроительном заводе - эффективные технологии упрочняющей обработки деталей изделий спец. назначения и инструмента (накатные ролики) (С.Ф. Забелин, 1979-1995 гг.);

5) на НПО им. С.А Лавочкина г. Москва - технологии термической и химико-термической обработки (цементации, нитроцементации и азотирования) деталей изделий спец. назначения (С.Ф. Забелин, А.С. Тихонов, В.А. Зеленский, 1980-1985 гг.);

6) в ИМЕТе РАН выполнены исследования по пластичности и сверхпластичности конструкционных и аморфных металлических материалов и использованию эффекта сверхпластичности в технологических процессах термо-деформационной обработки (С.Ф. Забелин, В.А. Зеленский).

По результатам исследований в 1984 году в издательстве «Наука» выходит монография А.С. Тихонова, С.Ф. Забелина и др. «Термоциклическая обработка сталей, сплавов и композиционных материалов», в которой обобщен опыт промышленного внедрения и научные основы новой технологии термической и химико-термической обработки. В том же году С.Ф. Забелин защитил кандидатскую диссертацию в Московском авиационном технологическом институте на тему «Исследование и разработка процессов химико-термической обработки конструкционных сталей с использованием режимов термоциклирования» и продолжил исследования в ЧитПИ по разработке новых, защищенных а.с. № 907075 (способ цементации и нитроцементации сталей) и № 1453179 (способ азотирования сталей) и совершенствованию традиционных технологий термической и химико-термической обработки стальных изделий, также разрабатываются устройства для деформационной обработки материалов методом штамповки а.с. № 1460818 и виброобкатывания а.с. № 1492063, технологическая оснастка, модели технологических процессов и физических явлений при нестационарных режимах воздействия на материал [см.: 4; 5].

В 1987 году В.А. Зеленский защищает диссертацию кандидата физ.-мат. наук в Воронежском государственном университете на тему

«Пластические и сверхпластические свойства аморфных металлических материалов» и продолжает исследования в лаборатории ультради-сперсных порошков ИМЕТиМ РАН.

В 1996 г. С.Ф. Забелин переходит в Забайкальский государственный педагогический университет, где в должности доцента и зав. каф. «Машиноведение и прикладная механика» продолжает научные исследования, привлекая к работе студентов-дипломников и сотрудников других кафедр (общая и теоретическая физика, прикладная информатика), а также совместно с сотрудниками кафедры «Технологии металлов» ЧитГТУ (В.С. Гроховский,

А.И. Хоботов) и лаборатории ИМЕТиМ РАН (В.А. Зеленский, М.И. Алымов). При этом разрабатываются теоретические основы диффузионного насыщения сталей в условиях термоциклического воздействия на материал, метод химико-термоциклической обработки (ХТЦО) деталей машин (технологии цементации, азотирования и нитроцементации), физическая и математическая модели оптимизации режимов термоциклического воздействия для решения различных технологических задач, в том числе интенсификации диффузионного насыщения и полной релаксации внутренних напряжений. Результаты исследований публикуются в рейтинговых журналах «Физ. ХОМ», «КШП», «Вест. машиностроения», «МиТОМ», «Технология металлов», «Материаловедение», а также в докладе на международном симпозиуме «Перспективные металлы и технологии» г. Бай-кальск 1999 г. (кроме того, доклады и участие в более тридцати международных и всероссийских конференций) [см.: 3; 4; 5; 6; 7; 16].

В 2004 году в Санкт-Петербургском гос. по-литехн. университете С.Ф. Забелиным защищена докторская диссертация на тему «Основы технологии и кинетической теории процессов диффузионного насыщения сталей в условиях термоциклического воздействия на материал», а на следующий год, как результат обобщения проведенных исследований и внедрения практических разработок, выходит монография «Химико-термоциклическая обработка конструкционных материалов» (Чита: Изд-во ЗабГПУ, 2005 г.).

В 2005 году в ЗабГГПУ была создана проблемная научно-исследовательская лаборатория «Новые технологии и материалы», а с 2006 года открыта аспирантура под руководством профессора кафедры, д-р техн. наук С.Ф. Забелина. Выбор научного направления и тематики исследований лаборатории и работ аспирантов

основаны на традициях научной школы материаловедения ведущего в нашей стране академического института ИМЕТиМ РАН (акад. РАН

Н.П. Лякишев, член-корр. РАН М.И. Алымов, проф. д-р техн. наук М.Х. Шоршоров и д-р техн. наук А.С. Тихонов).

В настоящее время исследования и разработки лаборатории и аспирантов осуществляются при сотрудничестве с академическими институтами и учебными университетами:

1. ИМЕТиМ им. А.А. Байкова РАН г. Москва: а) лаборатория порошковых наноматериалов (чл. корр. РАН М.И. Алымов); б) лаборатория физикохимии нанесения покрытий (проф., д-р техн. наук В.И. Калита).

2. ИХТТ и МХ СО РАН г. Новосибирск: лаборатория электронной микроскопии (проф., д-р физ.-мат.наук Б.Б. Бохонов).

3. СПб политех. ун-т, г. Санкт-Петербург: а) кафедра исследования структуры и свойств материалов (проф., д-р техн. наук Е.Л. Гулихан-данов); б) центр новых материалов (проф. д-р техн. наук Г.Е. Коджаспиров).

4. СПб «ИНЖЭКОН», г. Санкт-Петербург:

а) кафедра инженерных наук и технологий (проф., д.т.н. С.М. Галилеев); б) кафедра управления качеством (проф., д-р техн. наук В.К. Фе-дюкин).

5. Тульский государственный университет, г. Тула: кафедра металловедения и физики металлов (проф., д-р техн. наук А.Е. Гвоздев).

6. МПГУ, г. Москва: кафедра общетехнических дисциплин (проф., д-р физ.-мат.наук Ю.Л. Хотунцев).

Перспективное развитие науки и техники направлено на разработку и использование высоких технологий и новых материалов в инновационных проектах современного производства, например, новое научно-производственное направление «Нанотехнологии и наноматериалы» (НТ и НМ). Естественно, для нашего региона, имеющего низкий научный потенциал (нет академических институтов и лабораторий, специального оборудования и квалифицированных специалистов) научно-практическое направление по НТ и НМ является несколько экзотическим. Однако есть ряд обстоятельств позволяющих считать возможным и необходимым проводить исследования и разработки по НТ и НМ в нашем регионе.

Во-первых, проводя совместные исследования с академическими институтами (ИМЕТиМ РАН г. Москва, ИХТТиМХ СО РАН г. Новосибирск) и учебными университетами (СПб ГПУ и «ИНЖЭКОН» г. Санкт-Петербург, МИСиС и МИФИ г. Москва, ТГУ г. Тула), имеющих хорошую лабораторную базу и научные шко-

лы (акад. Н.П. Лякишев и Ю.К. Ковнеристый, чл.-корр. РАН М.И. Алымов и др.) мы имеем возможность использовать их прецизионное оборудование, новые методики анализа и диагностики, а также получать высококвалифицированные консультации.

Во-вторых, имеются свои результаты исследований (д-р техн. наук С.Ф. Забелин), в которых экспериментально установлено, что при термоциклическом воздействии на материалы в их структурном строении формируются на-нофазные системы (НФС), а при контролируемой кристаллизации аморфных металлических сплавов достигается стабильное нанокристал-лическое строение.

В-третьих, учитывая план развития Забайкальского края (2008 — 2012 гг.), в котором предусмотрено создание ряда новых горно-рудных комбинатов и металлургических заводов (медеплавильный и ферро-марганцевых сплавов), экономически выгодно для региона организовать производство порошковых металлов и сплавов, в частности такого востребованного на мировом и внутреннем рынке продукта, как нанопорошки Бе, №, Си, Со, W и других металлов, а также полиметаллических сплавов.

Поэтому исследования научной лаборатории «Новые технологии и материалы» и аспирантов ЗабГГПУ были нацелены на разработки по НТ и НМ, в частности на технологические аспекты наноматериаловедения (получение и применение конструкционных и функциональных наноматериалов в машиностроении, горном деле и металлургии).

В настоящее время проведены исследования [см.: 8; 9; 10] и установлены технологические принципы наноструктурирования конструкционных материалов, решаются проблемы технологической подготовки производства и внедрения НТ и НМ в машиностроении, разработан метод системно-технологического анализа процессов синтеза объемных нанокристал-лических материалов (ОНКМ) (С.Ф. Забелин, К.С. Забелин) и программный комплекс выбора технологии для отраслевых направлений (К.С. Забелин, В.М. Трофимов).

Проводятся исследования по оптимизации процессов нанокристаллизации аморфных металлических материалов с использованием режимов термоциклической обработки (В.А. Зеленский, К.С. Забелин) [см.: 11] и по реализации технологий формирования НФС на поверхности материала массивных изделий с целью упрочнения новых и ремонта и восстановления изношенных деталей машин методами внешнего силового (фрикционная обработка) и физического (ультразвукового) воздействия [см.: 12]. С уче-

том анализа механизмов формирования НФС построены морфологическая система и модели формирования НФС (В.М. Трофимов, А.А. Васильев, К.С. Забелин), а также осуществляется разработка теории и методики образовательного процесса профессиональной подготовки специалистов по НТ и НМ в нашем регионе (С.Ф. Забелин, А.А. Васильев) [см.: 13].

Сотрудничество с лабораторией порошковых наноматериалов ИМЕТиМ РАН (чл.-корр. РАН М.И. Алымов, В.А. Зеленский) позволяет проводить исследования и разработки технологий получения ОНКМ (Бе- и №- нанопорошки) и получения перспективных азотистых сталей через синтез и компактирование ультрадисперс-ных нанопорошков. При сотрудничестве с компанией «Русский алюминий» разрабатывается эффективная технология получения инертных малорасходуемых анодов, существенно влияющих на себестоимость производства алюминия.

Результаты экспериментальных исследований по контролируемой кристаллизации аморфных металлических материалов и практических разработок лаборатории по прикладным аспектам наноматериаловедения опубликованы в рейтинговом журнале «Технология машиностроения» № 3, 2006 г. и № 6, 2007 г. (С.Ф. Забелин, К.С. Забелин), а материалы по теории и методике образовательного процесса профессиональной подготовки специалистов по НТ и НМ в коллективной монографии «Образовательноинновационные технологии: теория и практика» (г. Воронеж, ИПЦ ВГПУ, 2008 г.) (С.Ф. Забелин,

A.А. Васильев) и доложены на конференциях:

1) 3-я и 4-я Евразийские конференции «Прочность неоднородных структур» «ПРОСТ-2006» и «ПР0СТ-2008», г. Москва, МИСиС (ТУ) (С.Ф. Забелин, В.А. Зеленский, К.С. Забелин,

B.М. Трофимов);

2) 3-я международная школа «Физическое материаловедение» и конференция «Нано-

материалы технического и медицинского назначения», гг. Самара, Тольятти, Ульяновск, Казань: ТГУ, 2007 г. (С.Ф. Забелин, В.А. Зеленский, К.С. Забелин, И.В. Николаюк);

3) международная конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. Санкт-Петербург, СПб ГПУ, 2007 г. (С.Ф. Забелин, В.А. Зеленский, К.С. Забелин);

4) международная конференция «Актуальные проблемы прочности», г. Н. Новгород, ННГУ, 2008 г. (С.Ф. Забелин, В.М. Трофимов);

5) международный симпозиум «Наноструктурные функциональные покрытия и наноматериалы для промышленности», г. Харьков (Украина), ННЦ ХФТУ, 2008 г. (С.Ф. Забелин,

В.А. Зеленский, К.С. Забелин);

6) международный научный симпозиум «Перспективные материалы и технологии», г. Витебск (Белоруссия), 2009 г. (С.Ф. Забелин, В.А. Зеленский, К.С. Забелин, А.А. Васильев).

В 2008 и 2009 годах силами кафедры и лаборатории «Новые технологии и материалы» ЗабГГПУ проведены Всероссийские научнопрактические конференции «Инновационные технологии в технике и образовании» и изданы сборники материалов (Чита: Изд-во ЗабГГПУ, 2008 и 2009 гг.) [см.: 14; 15]. В резолюциях конференций отмечено, что развитие научного и производственного потенциала Забайкалья немыслимо без материаловедческих исследований, разработок и внедрения высоких технологий и новых материалов в различных отраслях промышленности. Но главная задача на сегодня для нашего региона — организовать образовательный процесс подготовки специалистов материаловедов для нанотехнологий, для чего необходимо создать научно-образовательную базу: материаловедческий технопарк оборудования, научно-педагогические кадры и современные методики обучения.

Библиографический список

1. Гапонов Ю.Н., Гроховский В.С., Забелин

С.Ф. К вопросу выбора режимов термоциклической обработки конструкционных сталей //Труды института. Чита: ЧитПИ, 1980. С. 56 — 58.

2. Забелин С.Ф., Тихонов А.С., Белов В.В. Термоциклическая обработка сталей с использованием эффекта сверхпластичности // Сверхпластичность металлов. М.: МИСиС, 1981. С. 124-126.

3. Забелин С.Ф., Тихонов А.С., Земский С.В. Диффузия при термоциклической обработке сталей //Физ. ХОМ. 1982. № 6. С. 115-120.

4. Забелин С.Ф. Метод химикотермоциклической обработки деталей и перспективы развития // Вест. машиностроения. 1998. № 2. С. 31-34.

5. Забелин С.Ф. Общие закономерности формирования цементованного слоя сталей при термоциклическом режиме насыщения // Металловедение и термическая обработка металлов. 1998. № 2. С. 2-6.

6. Забелин С.Ф. Технологические основы процессов ХТЦО сталей //Технология металлов. 2004. № 5. С. 12-18.

7. Забелин С.Ф. Кинетическая теория процессов диффузионного насыщения металлов при ХТЦО //Материаловедение. 2004. № 7. С. 6-12.

8. Забелин С.Ф., Алымов М.И. Материаловедение и технология наноструктурирован-ных материалов. Чита: Изд-во ЗабГГПУ, 2007. 141с.

9. Забелин С.Ф., Забелин К.С. Системный анализ и критерии классификации нано-структурированных материалов//Технология машиностроения. 2006. № 3. С. 5-10.

10. Забелин С.Ф., Забелин К.С. Системнотехнологический анализ процессов синтеза ОНКМ //Технология машиностроения. 2007. № 6. С. 5-9

11. Забелин С.Ф., Зеленский В.А., Забелин К.С. К вопросу об активированном состоянии объемных нанокристаллических материалов// Материалы международной научнопрактической конференции «ПР0СТ-2006». М.: МИСиС (ТУ), 2006. С. 134-137.

12. Забелин С.Ф., Зеленский В.А., Забелин К.С. Формирование нанофазных систем на поверхности металлов и сплавов: материалы/ III международного научно-технического симпозиума «Наноструктурные функциональные покрытия и наноматериалы для промышленности». Харьков: Изд-во: ННЦ ХФТИ, 2008. С. 211-217.

13. Забелин С.Ф., Васильев А.А. Модульнорейтинговая технология образовательного процесса по курсу «Нанотехнологии», «Наноматериалы» (коллективная монография)// «Образовательно-инновационные технологии: теория и практика». Воронеж: ИПЦ ВГПУ, 2008. С. 124-157.

14. Инновационные технологии в технике и образовании: материалы/ I всероссийской научно-практической конференции. Чита: Изд-во ЗабГГПУ, 2008. 205 с.

15. Инновационные технологии в технике и образовании: материалы / II всероссийской научнопрактической конференции. Чита: Изд-во Заб-ГГПУ, 2009. Часть I. 186 с. - Часть II. 216 с.

16. Zabelin S.F. Theoretical analyses of the thermal cyclic treatment processes//V - the International symposium «ADVANCED MATERIALS AND PROCESSES» Baikalsk. Russia. 1999. S. I27.