Аннотированный отчет по госзаданию Министерства РФ за

АННОТИРОВАННЫЙ ОТЧЕТ
о научно-исследовательской работе за 2014 год
1. Тема НИР: Особенности прохождения электрического тока и тепломассопереноса через
анодную парогазовую оболочку при электролитно-плазменной модификации металлов и сплавов
2. Номер государственной регистрации НИР: 114040970013
3. Руководитель НИР: Белкин Павел Николаевич, зав. каф., д. т. н., проф.
4. Вуз (организация), в котором проводится НИР: Костромской государственный университет
имени Н. А. Некрасова
5. Телефон руководителя: (4942) 413566, 8-910-803-0514
6. WWW адрес (для ссылки на информацию о результатах НИР):
http://www.ksu.edu.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=770&Itemid=2425&lang=ru
7. Сроки проведения: начало 01.01.2014, окончание 31.12.2014
8. Наименование годового этапа НИР: Разработка и изготовление экспериментальных установок.
Измерение толщины анодной парогазовой оболочки и частотный анализ тока через оболочку
9. Плановый объем средств на проведение годового этапа НИР: 1 500 000 руб.
Плановый объем средств на проведение НИР с начала ее проведения, включая отчетный этап
НИР: 3 500 000 руб.
10. Фактический объем средств, выделенных на проведение годового этапа НИР, 976 000 руб.
Фактический объем средств на проведение НИР с начала ее проведения, включая отчетный этап
НИР, руб.
11. Коды темы по ГРНТИ: 31.15.33 53.49.21
12. Полученные научные и (или) научно-технические результаты:
Разработаны и изготовлены дополнительные модули к экспериментальной установке
анодной электролитно-плазменной обработки. Оптический модуль предназначен для измерения
толщины парогазовой оболочки путем ее просвечивания и фотографирования. Модуль для
осциллографирования тока, проходящего через парогазовую оболочку, включая частотный анализ
изучаемого сигнала. Модуль для изучения собственной проводимости парогазовой оболочки с
помощью разряда конденсатора при разомкнутой внешней цепи.
Измерена средняя толщина парогазовой оболочки, составляющая сотни микрометров при
нагревании цилиндрического образца с полусферическим торцом. Установлено, что второе
критическое напряжение определяется двумя процессами – пороговой напряженностью поля в
оболочке, способной обеспечить эмиссию анионов электролита, и выделением тепла, достаточного
для поддержания устойчивой границы электролит – оболочка. Для обоснования анионной
проводимости ПГО выполнен расчет второго критического напряжения на базе модели Гюи –
Чепмена и концепции зарядовой неустойчивости электролита в электрическом поле. Результаты
расчета объясняют убывающую зависимость второго критического напряжения от концентрации
электролита и возрастающую от температуры.
Измерены значения второго критического напряжения и соответствующей ему
критической плотности теплового потока q2, выделяемой в прианодной области. Установлено, что
обе величины, характеризующие переход от режима осцилляций тока к стационарному нагреву
электрода, увеличиваются по мере возрастания скорости течения электролита. Характер
полученных зависимостей объясняется уменьшением толщины пограничного слоя, что приводит к
росту потока тепла из оболочки в электролит.
Аналогично объясняется и рост второго критического напряжения при увеличении
диаметра образца-анода. Площадь поверхности переноса тепла из оболочки в электролит
пропорциональна диаметру образца, а площадь отвода тепла из оболочки в образец и далее по его
сечению в атмосферу пропорциональна квадрату диаметра образца. По этой причине поток тепла
из оболочки в электролит при увеличении его диаметра будет расти медленнее, чем отвод тепла из
оболочки в образец. Для компенсации указанной разности тепловых потоков потребуется
увеличить поступление энергии в оболочку, то есть повысить второе критическое напряжение
Разработана методика записи пульсаций электрического тока, протекающего через
парогазовую оболочку, а также получения спектра пульсаций. Обнаружен относительно широкий
спектр колебаний тока в режиме прерываний, связанный с механическими низкочастотными
пульсациями оболочки и высокочастотными составляющими неустановленной природы. Показано,
что увеличение напряжения на аноде с полусферическим торцом приводит к росту амплитуды
пульсаций, а также к увеличению вклада каждой отдельной частоты. Выявлена основная частота
пульсаций, равная 15 Гц, для цилиндрического образца диаметром 20 мм при напряжениях 240–
280 В и концентрации нитрата аммония 2 моль/л.
13. Полученная научная и (или) научно-техническая продукция:
1. Методика расчета критического напряжения, обеспечивающего эмиссию анионов из
кипящего электролита в анодную парогазовую оболочку.
2. Закономерности теплообмена в прианодной области, объясняющие влияние скорости
течения электролита и диаметра анода на критическое напряжение.
3. Методика измерения толщины парогазовой оболочки.
4. Частотные характеристики прохождения тока через анодную парогазовую оболочку в
растворах нитрата аммония.
14. Ключевые слова и словосочетания, характеризующие результаты (продукцию): анодный
нагрев, электролитная плазма, толщина оболочки, частота и амплитуда тока, диффузия,
износостойкость, тепловые потоки, коррозионная стойкость
15. Наличие аналога для сопоставления результатов (продукции):
аналог есть
16. Преимущества полученных результатов (продукции) по сравнению с результатами
аналогичных отечественных или зарубежных НИР (для продолжающихся НИР может не
заполняться):
а) по новизне: результаты являются новыми;
б) по широте применения: на межотраслевом уровне;
в) в области получения новых знаний: в области создания новых устройств
17. Степень готовности полученных результатов к практическому использованию (для
прикладного научного исследования и экспериментальной разработки):
Создано оборудование. Выполнен эксперимент
18. Предполагаемое использование результатов и продукции:
1. Корректировка теоретического анализа теплообмена с учетом новых экспериментальных
данных, в частности, экспериментально измеренной толщины оболочки.
2. Дополнение теплофизической модели процесса учетом колебаний межфазной границы,
которые приводят к обновлению раствора электролита и понижению его температуры в
прианодной области.
3. Экспериментальное изучение эмиссии анионов электролита, определение пороговых
значений напряжения и предельно достижимых плотностей тока. Влияние материала анода и
природы электролита на критические напряжения и эмиссионную способность различных
растворов.
19. Форма представления результатов НИР:
Научно-технические отчеты: да.
Монографии: нет.
Учебники: да.
Статьи в российских изданиях: да.
Статьи в зарубежных изданиях: да.
Доклады: да.
Другие публикации: нет.
Проданные лицензии: нет.
Заявки на объекты промышленной собственности: нет.
Патенты: нет.
Диссертации: нет.
Экспонаты выставок: нет.
20. Библиографический список публикаций, отражающих результаты работы приведен в
приложении № 1
21. Использование результатов в учебном процессе:
Создание новых дисциплин: да.
Использование в преподавании существующих дисциплин: да.
Создание учебного оборудования: нет.
Продукция для обеспечения учебного процесса: нет.
22. Количество сотрудников, принимавших участие в выполнении НИР и указанных в научнотехнических отчетах в качестве исполнителей приведено в приложении № 2
23. Предполагаемое развитие исследований:
1. Изучение собственной проводимости парогазовой оболочки в условиях разомкнутой
внешней цепи. Измерение времени релаксации избыточного заряда на поверхности раздела
электролит – оболочка, порогового напряжения, обеспечивающего проводимость оболочки,
предельного тока.
2. Изучение влияния материала анода и условий прохождения тока через оболочку на
характеристики теплообмена в изучаемой системе.
3. Изучение влияния структуры, фазового состава и условий обработки на механические и
коррозионные свойства модифицированных стальных и титановых сплавов.
4. Измерение длительности конденсации парогазовой оболочки при подаче импульсов
различной полярности.
Руководитель проекта:
Белкин П.Н.
Приложение 1
Статьи в российских изданиях
1. Кусманов С.А., Белкин П.Н., Дьяков И.Г., Жиров А.В., Мухачева Т.Л., Наумов А.Р.
Влияние оксидного слоя на диффузию углерода при анодной электролитно-плазменной
цементации // Физикохимия поверхности и защита материалов. – 2014. – т. 50. – № 2. – С. 198–204.
2. Кусманов С.А., Дьяков И.Г., Белкин П.Н., Грачева Л.А., Белкин В.С. Электролитно-плазменное
модифицирование поверхности титанового сплава ВТ 1-0 // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и
нейтронные исследования. – 2015. – № 1. – C. 1–7.
Статьи в зарубежных изданиях
1. I.G.D’yakov, V.S.Belkin, S.Yu.Shadrin, P.N. Belkin. Peculiarities of Heat Transfer at Anodic Plasma
Electrolytic Treatment of Cylindrical Pieces, Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 2014, Vol. 50, No
4, pp. 346–355.
2. S.A. Kusmanov, S.Yu. Shadrin, P.N. Belkin, Carbon transfer from aqueous electrolytes to steel
by anode plasma electrolytic carburising Surf. Coat. Technol. 2014. – 258. – P. 727–733.
Доклады
1. Белкин В.С., Кусманов С.А., Дьяков И.Г. Электролитно-плазменное модифицирование
технического титана // Материалы VI Международной научной конференции «Современные
методы в теоретической и экспериментальной электрохимии», (8–12 сентября). Иваново: Институт
химии растворов им. Г.А. Крестова РАН, 2014. – С. 16. ISBN 978-5-905364- 04-4. Тираж 150 экз
2. Кусманов С.А., Наумов А.Р., Белкин П.Н. Особенности массопереноса в условиях
анодной электролитно-плазменной обработки // Материалы VI Международной научной
конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии», (8–12
сентября). Иваново: Институт химии растворов им. Г.А. Крестова РАН, 2014. – С. 39. ISBN 978-5905364- 04-4. Тираж 150 экз
3. Тамбовский И.В., Наумов А.Р., Кусманов С.А., Дьяков И.Г., Белкин П.Н.
Многокомпонентное насыщение поверхности стали при анодной электролитно-плазменной
обработке // Материалы VI Международной научной конференции «Современные методы в
теоретической и экспериментальной электрохимии», (8–12 сентября). Иваново: Институт химии
растворов им. Г.А. Крестова РАН, 2014. – С. 62. ISBN 978-5-905364- 04-4. Тираж 150 экз
4. Смирнов А.А., Миронова О.А., Барашков В.Н., Кусманов С.А., Белкин П.Н. Особенности
анодной электролитно-плазменной нитрозакалки среднеуглеродистой стали // Материалы VI
Международной научной конференции «Современные методы в теоретической и
экспериментальной электрохимии», (8–12 сентября). Иваново: Институт химии растворов им. Г.А.
Крестова РАН, 2014. – С. 198. ISBN 978-5-905364- 04-4. Тираж 150 экз
5. A. Naumov, S. Kusmanov, P. Belkin, I. Dyakov, S. Shadrin, A. Zhirov. Heat Transfer in Anode
Plasma Electrolysis // 14th International Conference on Plasma Surface Engineering (PSE 2014),
Garmisch-Partenkirchen, September, 15–19, 2014.
6. A. Naumov, S. Kusmanov, P. Belkin, I. Dyakov, S. Shadrin, A. Zhirov, T. Mukhacheva, Yu.
Parkaeva. Improvement of Surface Properties of Low-Carbon Steels by Anode Plasma Electrolytic
Nitrocarburizing // 14th International Conference on Plasma Surface Engineering (PSE 2014), GarmischPartenkirchen, September, 15–19, 2014.
7. Yu.V. Parkaeva, S.A. Kusmanov, A.R. Naumov, P.N. Belkin. Influence of oxidation and
dissolution on anode plasma electrolytic nitrocarburising of low-carbon steels // 7th International
conference on material science and condensed matter physics. 16–19 September 2014. Abstracts.
Chisinau, 2014. P. 282.
8. I. V. Tambovskii, I. G. Dyakov, S. A. Kusmanov, A. R. Naumov, P. N. Belkin. Multicomponent
anode plasma electrolytic saturation of steel surface // 7th International conference on material science and
condensed matter physics. 16–19 September 2014. Abstracts. Chisinau, 2014. P. 286.
9. V.S. Belkin, S.A. Kusmanov, I.G. Dyakov, P.N. Belkin. Plasma electrolytic modification of
commercial titanium // 7th International conference on material science and condensed matter physics. 16–
19 September 2014. Abstracts. Chisinau, 2014. P. 299.
10. П.Н. Белкин, Ю.В. Кусманова, С.А. Кусманов, А.Р. Наумов. Анодная электролитно-плазменная
нитроцементация малоуглеродистых сталей // Химическая технология и биотехнология новых материалов и
продуктов. VI Международная конференция Российского химического общества имени Д.И. Менделеева:
тезисы докладов. – М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2014. – С. 82–84. ISBN 978-5-7237-1214-0. Тираж 200
экз. 0,013 усл. печ. л.
11. С.А. Кусманов, Ю.В. Кусманова, П.Н. Белкин, А.Р. Наумов. Особенности транспорта
азота и углерода при анодной электролитно-плазменной обработке // Химическая технология и
биотехнология новых материалов и продуктов. VI Международная конференция Российского
химического общества имени Д.И. Менделеева: тезисы докладов. – М.: РХТУ им. Д.И.
Менделеева, 2014. – С. 91–93. ISBN 978-5-7237-1214-0. Тираж 200 экз. 0,013 усл. печ. л.
12. Тамбовский И.В., Горохов И.С., Комиссарова М.Р., Кусманов С.А., Дьяков И.Г., Наумов
А.Р., Белкин П.Н. Боронитроцементация стали при анодной электролитно-плазменной обработке //
Быстрозакаленные материалы и покрытия. Труды 13-й Международной научно-технической
конференции. 25-26 ноября 2014 г. МАТИ : Сб. трудов. – М.: ПРОБЕЛ-2000, 2014. – С. 333–336. –
ISBN 978-5-98604-464-4