Представлено теоретическое обоснование влияния технологии электрошлакового переплава с вращением расходуемого электрода на физико-механические свойства формируемой отливки (заготовки). Технология электрошлакового переплава с вращением расходуемого электрода вокруг собственной оси ведет к образованию восходящего потока тепла в шлаковой ванне, делая гидродинамическую обстановку в кристаллизаторе более рациональной с точки зрения использовании образующегося тепла. При вращении расходуемого электрода на пленку жидкого металла, образующуюся на торце электрода, действуют центробежные силы, которые беспечивают радиальное течение капель расплавленного металла. Последующий отрыв происходит с внешнего периметра электрода. Таким образом, капли электродного металла попадают в металлическую ванну ближе к стенке кристаллизатора, выравнивая температурный фронт ванны. Уменьшение температурного градиента ванны по сечению приводит к более плоскому фронту кристаллизации. Исследуемая технология электрошлакового переплава с  вращением расходуемого электрода должна оказывать влияние на физико-механические свойства получаемого слитка (заготовки). С целью установления влияния вращения расходуемого электрода при электрошлаковом переплаве на свойства получаемого металла были проведены экспериментальные переплавы. Представлены данные об экспериментальных электрошлаковых переплавах электродов марки стали 20Х13 по различным технологиям на установке А-550. В ходе эксперимента устанавливалось влияние технологии вращения расходуемого электрода на условия процесса переплава, кристаллизации слитка, изменение механических и физических свойств. Проанализировано влияние способа переплава на свойства получаемого слитка. В качестве основного инструмента исследования использована обработка полученных данных о  микротвердости, плотности, размере дендритной ячейки экспериментальных образцов. Анализ результатов исследований слитков в поперечном направлении показал повышение равномерности микротвердости при реализации технологии электрошлакового переплава с  вращением расходуемого электрода по ходу плавки. Также показано, что применение технологии вращения уменьшает размер дендритной ячейки отливки и повышает плотность формируемой заготовки в сравнении с классической технологией без вращения электрода.

Приведен анализ основных недостатков современных индукционных индукторных тигельных печей, обусловленных повышенной толщиной стенок футерованного тигля, наличием охлаждаемого изнутри кондиционной водой трубчатого медного однослойного индуктора и отсутствием или присутствием размещенных вокруг него стержневых вертикальных I-образных наборных магнитопроводов, образующих дискретный ферромагнитный экран. Первый недостаток заключается в том, что значительная часть рабочего электромагнитного потока Ф_раб не используется для полезного нагрева, так как проходит вдоль неэлектропроводной футеровки тигля, а не по садке. Эффективно используется только 38,5 – 57,0  % потока Ф_раб. Второй недостаток обусловливает повышенную стоимость и трудоемкость изготовления витков индуктора из специальной медной трубки, которые вибрируют с удвоенной частотой. При этом создается шум и ослабляется конструкция печи. Такие индукторы характеризуются пониженным электрическим КПД и повышенной стоимостью подготовки и охлаждения кондиционной воды в системах, занимающих площадь, в несколько раз превышающую площадь собственно печи. Третий недостаток приводит к тому, что значительная часть электромагнитного потока Ф_рас рассеяния не участвует в нагреве шихты и расплава, но нагревает электропроводные элементы печи, в том числе окружающие индуктор магнитопроводы. Нерациональное использование общего потока Ф, создаваемого индуктором, снижает его эффективность почти до 19 – 30 %, а коэффициент мощности cosφ до 0,03 – 0,10 и повышает расход энергии. Для уменьшения или устранения недостатков предложены и обоснованы три пути совершенствования этих печей: уменьшение толщины стенки тигля с одновременным его упрочнением путем установки цилиндрической обечайки между тиглем и индуктором, окружение индуктора кольцевым магнитопроводом и применение одно- или многопроволочного индуктора вместо трубчатого. Сочетанием цилиндрической обечайки, кольцевого магнитопровода, а также верхней и нижней плит каркаса печи может быть образована кольцевая замкнутая полость для размещения проволочного индуктора и циркулирующего хладагента, охлаждающего индуктор и магнитопровод. В  результате исследования предложена, обоснована и запатентована разработанная в АлтГТУ новая конструкция индукционной индукторной тигельной печи с проволочным индуктором и кольцевым наборным магнитопроводом. На основе экспериментального определения эффективности предложенных конструктивных элементов сделан вывод о перспективности дальнейших исследований.

Изучена взаимосвязь интенсивности изнашивания, средней температуры контакта и фазового состава поверхностных слоев стали Ст3, меди и сплава NiTi при сухом скольжении по стальному контртелу под воздействием электрического тока плотностью более 100 А/см² . Эти характеристики контакта рассмотрены особенно внимательно в начале катастрофического изнашивания, когда поверхностные слои переходят в предельное состояние. Отмечено, что релаксация напряжений в поверхностных слоях происходит благодаря структурному превращению в режиме нормального изнашивания. Это приводит к образованию трибослоев. Высокая прочность трибослоя меди обусловлена, в первую очередь, образованием оксида FeO на поверхности скольжения, который препятствует адгезии в контакте. Кроме того, признаки жидкой фазы наблюдали на поверхности контакта меди. Это способствует низкой скорости образования и накопления структурных дефектов. Появление областей расплава и оксида FeO на поверхности скольжения обеспечивает высокую износостойкость контакта. Эти факторы в сочетании с высокой теплопроводностью меди обусловили переход трибослоя в предельное состояние при высокой плотности тока и низкой температуре контакта. Отсутствие оксидов на поверхности скольжения сплава NiTi вызывает сильную адгезию в контакте, высокую скорость образования и накопления структурных дефектов. Поэтому трибослой быстро разрушается, наблюдаются высокая интенсивность изнашивания и быстрый рост температуры контакта при увеличении плотности тока. Катастрофическое изнашивание сплава NiTi начинается при температуре около 350 °С и низкой плотности тока. Поверхность скольжения стали Ст3 содержала оксид FeO, поэтому сильная адгезия не проявлялась. Обнаружено образование ГЦК-железа в трибослое стали Ст3, что способствует его ускоренному разрушению. Поэтому трибослой стали Ст3 переходит в предельное состояние при относительно низкой плотности тока и при более высокой температуре. Представленные температуры контакта, соответствующие начальным стадиям предельного состояния трибослоя, не превышают 350 °С. Сопоставление этих температур с известными температурами контактов других металлов позволяет утверждать, что подъем температуры контакта любого металла выше 400 °С приведет к его предельному состоянию. Это значит, что характеристики контакта металлов при температурах скользящего контакта более 500 °С не должны представлять практического интереса.

Обсуждаются вопросы о наличии в аустените микрообъемов, наиболее подготовленных для зарождения мартенситной фазы. Из большого числа работ, касающихся мартенситных превращений, очень малое количество посвящено вопросу о местах зарождения мартенсита. Этот аспект превращения немаловажен, так как позволяет получить новые знания о сценариях развития γ → α-превращения при закалке стали. Зародыши мартенсита представляют собой субмикрообъемы аустенита, наиболее подготовленные к фазовому переходу и  характеризующиеся повышенной энергией. Экспериментальные результаты в работе получены методами высокотемпературной металлографии. Изучали структуру образцов стали 30ХГСА, наблюдаемую в результате вакуумного травления, а также поверхностный рельеф, вызванный сдвигом при мартенситном превращении. Полученные структурные картины позволили наблюдать большинство из возможных мест зарождения мартенсита, а именно, неметаллические включения, внутризеренные двойники, высокоугловые и малоугловые границы зерен, ранее образовавшиеся кристаллы мартенсита, дислокации и элементы дисклинационной структуры. Показано, что в области двойников наблюдается высокая плотность дислокаций, что облегчает зарождение мартенсита в результате исчезновения части упругой энергии дислокации при перестройке атомов внутри зародыша. При зарождении на границах зерен высвобождается энергия, которая идет на построение новой межфазной границы и компенсацию возникающей упругой энергии. Для оценки относительной энергии границ разного типа методом многолучевой интерферометрии измерена глубина канавок, которые образуются при термическом травлении на поверхности в месте выхода границ. Наблюдали элементы дисклинационной структуры, возникающие в результате неоднородной деформации. Эти элементы также являются местами формирования зародышевых центров. Отмечается, что присутствующие в парамагнитном аустените нанообласти с ферромагнитным порядком невозможно наблюдать с помощью методов, использованных в настоящей работе. Однако магнетизм играет определяющую роль в реализации того или иного сценария развития фазового превращения в сталях. Получение данных о взаимодействии в аустените ферромагнитных областей между собой, с дефектами кристаллической решетки, магнитным полем, а также о времени их жизни, количестве и размерах является важной задачей для будущих исследований.

Представлены результаты исследования процесса синтеза высокодисперсного порошка карбида хрома состава Cr₃C₂ . Карбид хрома был получен восстановлением оксида хрома Cr₂O₃ нановолокнистым углеродом (НВУ) в индукционной печи в среде аргона. НВУ – продукт каталитического разложения легких углеводородов. Основной характеристикой НВУ является высокое значение удельной поверхности (~150  000  м²/кг), что существенно выше, чем у сажи (~50  000  м²/кг). Содержание примесей в НВУ находится на уровне 1  % (по массе). На основе анализа диаграммы состояния системы Cr – C определены состав шихты и верхний температурный предел реакции карбидообразования для получения карбида хрома Cr₃C₂ в порошкообразном состоянии. На основе термодинамического анализа определена температура начала реакции карботермического восстановления оксида хрома Cr2 O3 при различных давлениях СО. Изучены характеристики карбида хрома с использованием рентгенофазового анализа, пикнометрического анализа, сканирующей электронной микроскопии с применением локального энергодисперсионного рентгеновского микроанализа (EDX), низкотемпературной адсорбции азота с последующим определением удельной поверхности по методу БЭТ, седиментационного анализа, синхронной термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии (TГ/ДСК). Полученный при оптимальных параметрах материал представлен одной фазой – карбидом хрома Cr₃C₂ . Частицы порошка преимущественно агрегированы. Средний размер частиц и агрегатов составляет 6,5 мкм с широким диапазоном распределения по размерам. Удельная поверхность однофазного образца составляет 2400  м² /кг. Окисление карбида хрома начинается при температуре примерно 640  °С и практически заканчивается при 1000  °С. Оптимальными параметрами синтеза являются соотношение реагентов по стехиометрии на получение карбида состава Cr₃C₂ при температуре 1300  °С и времени выдержки 20 мин. Показано, что для такого процесса нановолокнистый углерод является эффективным восстановителем и карбидизатором и что оксид хрома Cr₂O₃ практически полностью восстанавливается до карбида Cr₃C₂ .

Исследование влияния оксида бора B₂O₅ и основности шлаков системы CaO – SiO₂  – B₂O₃  – Al₂O₃ на концентрацию насыщения оксидом магния MgO выполнены методом симплексных решеток планирования эксперимента, Этот метод позволяет построить математические модели, описывающие зависимость изучаемого свойства от состава в виде непрерывной функции. Синтетические шлаки, соответствующие по составу вершинам изучаемого симплекса, выплавляли в графитовых тиглях из предварительно прокаленных оксидов марки  Ч.Д.А. Составы шлаков, соответствующих остальным точкам плана локального симплекса, получали встречной шихтовкой шлаков вершин симплекса. По экспериментальным данным были построены математические модели, адекватно описывающие влияние состава шлака на концентрацию насыщения оксидом магния MgO. Графическое изображение результатов математического моделирования представлено диаграммой состав – концентрация насыщения шлака оксидом магния MgO. Анализ приведенных на диаграмме экспериментальных данных позволил получить новые сведения о влиянии оксида бора и основности шлаков системы CaO – SiO₂ – B₂O₃ , содержащих Al₂O₃ , на концентрацию насыщения оксидом магния MgO. Установлено, что в шлаках, формируемых в области основности 2  –  3 и содержания оксида бора В₂О₃ 1  –  3  %, концентрация насыщения оксидом магния MgO изменяется в пределах от 3 до 9  %. Повышение содержания оксида бора В₂О₃ в шлаке до 4  % приводит к росту концентрации насыщения шлака оксидом магния MgO до 11  –  13  %. Смещение шлаков в область повышенной до 3  –  4 основности характеризуется снижением концентрации насыщения оксидом магния MgO до 2  –  5  % при содержании оксида бора В₂О₃ 1  –  3  % и увеличением до 7  –  9  % при содержании оксида бора В₂О₃ в шлаке 3  –  4  %. Формирование шлаков в области основности 4  –  5 и содержания оксида бора В₂О₃ 1  –  3  % не приводит к существенному снижению концентрации насыщения шлака оксидом магния. Концентрация насыщения шлака оксидом магния MgO в данной области основности изменяется в пределах от 2 до 4  % и практически не достигает 7  % при увеличении содержания В₂О₃ до 4  %. При этом наблюдается рост себестоимости стали за счет увеличения расхода извести и материала, содержащего оксид бора.

Для практического применения с целью ресурсосбережения вольфрама большой интерес представляет технология дуговой наплавки порошковой проволокой, в которой в качестве наполнителей используются оксид вольфрама WO₃ и восстановитель – алюминий. В работе по табличным термодинамическим данным реагентов проведена термодинамическая оценка вероятности протекания 14  реакций между ними в стандартных условиях в интервале температур 1500  –  3500  К. Этот интервал включает в себя температуру на поверхности капли на электроде в момент ее отрыва, а также температуры на периферии дуги и в верхних слоях наплавочной ванны. В качестве стандартных состояний для реагентов рассматривали WO₃(тв), WO₃(ж), WO₃(г), Al(ref), Al(ж), Al(г), Al₂(г), а в качестве возможных продуктов реакции и стандартных состояний для них W(ref), W(ж), W(г), Al₂O₃ (тв, ж), Al₂O₃ (ж), AlO(г), AlO₂ (г), Al₂O(г), Al₂O₂ (г). Реакции восстановления оксида записывали на 1 моль O₂ . Вероятность протекания реакций оценивали по стандартной энергии Гиббса реакций. Расчеты проводили в четыре этапа. На первом и втором этапах расчета установили агрегатные состояния оксида и металла и структуру паров алюминия, в  которых оксид и металл имеют наибольшее химическое сродство друг к другу. На третьем и четвертом этапах расчета определили наиболее вероятное состояние для металлического вольфрама и наиболее вероятный состав и агрегатное состояние образующегося в результате алюминотермии оксида алюминия из Al₂O₃ (тв, ж), Al₂ O₃(ж), AlO(г), AlO₂ (г), Al₂O(г), Al₂O₂ (г). Согласно диаграмме состояния системы алюминий – вольфрам имеется целый ряд промежуточных соединений между вольфрамом и алюминием: W₂ Al, WAl₃ , WAl₄ , WAl₅ , WAl₇ , WAl₁₂ . Однако из термодинамических свойств имеются данные только по характеру плавления (конгруэнтное или инконгруэнтное) и  температуре превращения. Других термодинамических данных нет. Вместе с тем, основываясь на результатах работ по восстановлению оксида вольфрама углеродом и кремнием, можно прогнозировать, что алюминиды вольфрама будут обязательно образовываться. Проведенный термодинамический анализ показывает, что присутствие в используемой для наплавки порошковой проволоке наряду с оксидом вольфрама WO₃ в качестве восстановителя алюминия обязательно приведет к протеканию восстановительных реакций с образованием алюминидов вольфрама, а возможно, и самого вольфрама. Оксид вольфрама в состоянии WO₃ (г) имеет наивысшую реакционную способность. Алюминий в виде Al₂ (г) и Al(г) обладает наивысшим химическим сродством к оксиду вольфрама WO₃ (г). В качестве продукта окисления алюминия наиболее вероятно образование оксида Al₂O(г).

Внедрение «Автоматизированной системы пооперационного контроля производства отливок (АС ПКПО)» является основой комплексной автоматизированной системы управления производством (АСУП). Она выполняет три основные задачи: контроля и учета (хода производства, изделий, материалов и пр.), повышения качества литья и оперативного управления технологическими процессами. Решение этих задач было выполнено за счет автоматизации сбора данных в реальном времени по всем производственным операциям, учета материальных потоков, создания оперативных каналов связи, а также централизованного сбора, обработки и представления данных сервером технологической информации. Следующим этапом в построении эффективной АСУП является стабилизация качества продукции при изменении внешних условий, например, качества материалов, и оптимизации производства (изменение технологии с целью снижения себестоимости при неизменном или более высоком качестве продукции). Второй этап основан на математической обработке и анализе данных, поступающих от АС ПКПО, позволяет определить оптимальные диапазоны параметров технологических процессов – «Автоматизированная система оптимизации и анализа хода производства (АС ОАХП)». АС ОАХП состоит из двух подсистем: анализа качества и управления технологией. Первая решает задачи анализа данных и моделирования, вторая – расчета в реальном времени оптимальных параметров процессов и прогнозирования. Задачи этапов конкурируют за доступ к разным аппаратным ресурсам. Наиболее критичным параметром для АС ПКПО является производительность дисковых массивов сервера, для АС ОАХП – производительность процессора. В  том и другом случаях масштабирование системы эффективно решается за счет распараллеливания операций по разным серверам, образующим кластер, и по разным процессорам (ядрам) на одном сервере. Для обработки изображений дефектов и получения причинно-следственных характеристик можно воспользоваться программным пакетом OpenCV, который представляет собой библиотеку компьютерного зрения с открытым исходным кодом. В процессе обработки использовались оператор Собеля, фильтр Гаусса и бинаризация. В основе их лежит обработка пикселей с помощью матриц. Операции над пикселями независимы и могут выполняться параллельно. Задача кластеризации сводится к определению экспертным способом или с использованием различных математических алгоритмов принадлежности дефектов по совокупности значений зависимых факторов к определенному кластеру (блоку данных). Таким образом формируются блоки данных по критерию причины дефекта. Вычисление блока данных, к которому принадлежит дефект изделия, может оказаться весьма ресурсоемкой операцией. Для повышения эффективности систем распознавания образов и распараллеливания операций поиска имеет смысл размещение кластеров данных на разных серверах. В итоге возникает необходимость в распределенной базе данных. Это особый класс СУБД, для которого необходимо соответствующее программное обеспечение. Создание АС ОАХП на основе многоузлового кластера с  установленной СУБД ApacheCassandra и использование на каждом узле видеокарт компании Nvidia, поддерживающих технологию CUDA, будет являться наиболее дешевым и эффективным решением. Видеокарты выбираются исходя из необходимого количества графических процессоров на узле.

Рассмотрены результаты оценки экспериментального определения усталостных характеристик материала испытываемых образцов на основе эмиссии волн напряжений. Опираясь на ранее опубликованные авторами материалы по использованию синергетически организованной акустической эмиссии, подготовлен и выполнен эксперимент. В опытах на разных материалах продемонстрирована возможность использования сигнала акустической эмиссии для оперативного определения механических характеристик и прежде всего предела выносливости. Образцы для испытания материалов на усталостную прочность изготовляли из пяти марок сталей и одной марки бронзы Бр АЖ9-4. На каждом из материалов было проведено по пять опытов. Образцы в эксперименте подвергались мелкоступенчатому нагружению, на каждом шаге которого одновременно происходило излучение эмиссионного сигнала, и подготавливалась очередная серия дислокаций, способных в следующий момент нагружения выйти на поверхность кристалла и излучить волну напряжений. Таким образом формировалось совместное излучение энергетически подготовленных к движению дислокаций, обеспечивающее достаточно мощный для устойчивой регистрации сигнал. Сопоставление экспериментальных данных, полученных на основе сигнала синергетически организованной акустической эмиссии, с расчетными значениями предела выносливости, полученными по известным эмпирическим формулам через предел прочности данного материала, оцененное по критерию Фишера, показало их адекватность при пятипроцентном уровне значимости. Оценка экспериментальных результатов определения предела выносливости на основе сигнала акустической эмиссии по критерию Кохрена свидетельствует о том, что дисперсии результатов замеров в эксперименте у всех видов используемых материалов однородны. Результаты работы показали, что метод определения предела выносливости материала на основе синергетически организованной акустической эмиссии позволяет оперативно получать экспериментальные значения предела выносливости материала с достаточно высокой степенью точности.

Несмотря на растущий интерес к использованию токовых воздействий для интенсификации формоизменения надежные экспериментальные и теоретические представления о процессах пластической деформации весьма ограничены, а физическая природа эффекта пластификации металлов изучена явно недостаточно. Это сдерживает использование перспективного явления в технологии обработки металлов давлением. Перспективным для решения задач исследования механизмов развитой электростимулированной пластической деформации может явиться подход к пластическому течению как к волновому процессу. Методами инфракрасной термографии и двухэкспозиционной спекл-интерферометрии исследована пластическая деформация малоуглеродистой стали при воздействии импульсного электрического тока. Установлено, что внешнее электрическое воздействие приводит к увеличению скорости волн пластичности на 65 %. Анализ картин распределения скоростей показал, что распределение скорости имеет вид «ударного перехода». В начале координат скорость движения материала равна нулю (неподвижный захват), а на правой части кривой скорость материала равна скорости растяжения, задаваемой испытательной машиной. Воздействие электрического тока приводит к расщеплению скоростей смещений как на подвижных, так и на неподвижных концах образцов. Термографические исследования показали наличие градиента температуры, направленного от зажимов к центру образца, что не совпадает с картиной распределения смещений. Установлено, что при первичной обработке мощными токовыми импульсами в центральной области образца температура образца достигает 351 K, а в области, прилегающей к зажимам, 330 K, то есть температура повысилась на 53 К. Последующие обработки приводят к незначительному повышению температуры. По литературным данным такое повышение температуры для исследуемой стали приводит к снижению предела текучести на 10 %, что соответствует результатам настоящего эксперимента. Если изменение скорости движения медленной волны при пропускании тока ранее было обнаружено и подтверждается в настоящей работе, то анализ распределения скоростей по координате показал, что импульсный ток приводит к расщеплению профиля скоростей вблизи подвижного захвата.

Высокоазотистые аустенитные стали являются перспективными материалами, обладающими высокими прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Однако для производства высокоазотистой стали традиционными методами (под высоким давлением азота) требуется энергоемкое и сложное металлургическое оборудование. С точки зрения энергосбережения альтернативным и более простым в исполнении методом получения высокоазотистых сталей может являться алюминотермия (восстановление оксидов металлов металлическим алюминием) под давлением азота. В настоящей работе проведено термодинамическое моделирование алюминотермических реакций в атмосфере азота. Методом алюминотермии под давлением азота выплавлены высокоазотистые безникелевые (Cr – N и Cr – Mn – N) нержавеющие стали с содержанием азота около 1  %. Исследованы их структура (методами рентгеновской дифракции, металлографии и просвечивающей электронной микроскопии) и механические свойства. Термодинамический анализ показал, что алюминотермические реакции восстановления не идут до конца. Наиболее важным параметром синтеза является соотношение количеств алюминия и кислорода в шихте, правильным выбором которого обеспечивается компромисс между полнотой восстановления оксидов, содержанием алюминия и кислорода в стали (степенью раскисления), а также загрязненностью ее нитридом алюминия. Слитки (Cr – N) стали в литом состоянии имели структуру азотистого перлита (феррито-нитридная смесь), а Cr – Mn – N стали – феррито-аустенитную структуру с признаками прерывистого распада аустенита с выделением нитрида Cr2 N. Закалка приводила к полной аустенитизации обеих сталей. Согласие полученного из дифрактограмм параметра решетки аустенита закаленной Cr – Mn – N стали с ожидаемым параметром по известной концентрационной зависимости для Cr – Mn – N сталей свидетельствовало о том, что все легирующие элементы (включая азот) растворены в аустените в результате выдержки при температуре закалки и зафиксированы в твердом растворе закалкой. Исследование механических свойств закаленной Cr – Mn – N стали показало сочетание высоких значений прочности и пластичности. Сделан вывод, что методом алюминотермии может быть получена высокоазотистая сталь, по механическим свойствам не уступающая промышленным сталям-аналогам, полученным электрошлаковым переплавом под давлением азота.

Проведен термодинамический анализ растворов кислорода в расплавах системы Ni – Co, содержащих кремний. Определены константа равновесия реакции раскисления никель-кобальтовых расплавов кремнием, коэффициенты активности при бесконечном разбавлении и параметры взаимодействия в расплавах различного состава. Рассчитаны зависимости растворимости кислорода в изученных расплавах от содержания кобальта и кремния. Раскислительная способность кремния снижается по мере увеличения содержания кобальта в расплаве. В сплавах Ni – Co, содержащих более 20  % кобальта, при содержании кремния менее 0,2  % раскислительная способность кремния практически одинаковая. При содержании кремния более 2  % раскислительная способность кремния снижается тем больше, чем выше содержание кобальта в сплавах.