Дальневосточные ученые создали «вечный» материал для буров и станков
Исследователи Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Хабаровского федерального исследовательского центра ДВО РАН разработали технологию получения сверхпрочного карбида вольфрама, который практически не подвержен износу. Новый материал оказался до 26 раз устойчивее, чем традиционные твердые сплавы, которые сегодня повсеместно используются в промышленности. В случае его использования буры, станки и другие механизмы смогут работать в разы дольше без замены деталей, сообщает Минобрнауки. Научная публикация вышла в International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.
Новая технология
Более ста лет основой для производства высокопрочного инструмента служат твердые сплавы на основе карбида вольфрама. В структуре таких сплавов зерна карбида, обеспечивающие твердость, связаны между собой металлической связкой — кобальтом. Кобальт придает материалу вязкость, однако его твердость ниже, чем у абразивных частиц (песка, породы). В процессе эксплуатации связка постепенно разрушается и вымывается, что приводит к потере опоры зернами карбида и их последующему выкрашиванию, а значит, к быстрому износу детали.
Дальневосточные ученые предложили решение, основанное на отказе от использования связующего компонента — кобальта, и создании монолитной структуры из чистого карбида вольфрама. С применением метода искрового плазменного спекания (SPS) исследователи спрессовали наночастицы порошка размером в 1000 раз тоньше человеческого волоса в единое изделие, достигнув плотности 99,94 %. Процесс проводился при нагреве до температуры 2000 °C.
«Полученный материал обладает значительно большей твердостью при меньшей цене по сравнению с существующими твердыми сплавами. И все это стало возможным только за счет применения нового метода спекания», — рассказал один из авторов исследования, заведующий лабораторией порошковой металлургии ХФИЦ ДВО РАН, кандидат технических наук Максим Дворник.
Результаты тестов
Чтобы подтвердить эффективность новой технологии, ученые провели серию испытаний. Они сравнили разные материалы: три промышленных сплава с разным содержанием кобальта и три экспериментальных образца чистого карбида вольфрама. Их подвергали микроабразивному износу — «шлифовали» с помощью специальных паст с частицами разного размера и твердости.
«Скорость износа наших образцов оказалась в разы ниже, чем у всех промышленных аналогов. А если сравнивать с обычным, самым распространенным сплавом, наша разработка оказалась долговечнее в 26 раз. При этом размер абразивных частиц, который критичен для обычных материалов, на наш монолит почти не влиял», — отметил один из разработчиков, сотрудник лаборатории ядерных технологий ДВФУ, кандидат химических наук Олег Шичалин.
Перспективы
По словам исследователей, новый материал идеально подходит для создания деталей, работающих в экстремальных условиях: бурового оборудования для нефтегазовой и горнодобывающей отрасли; фильер, через которые протягивают тонкую проволоку; прецизионных подшипников, работающих без смазки; а также деталей насосов, перекачивающих жидкости, содержащие песок, цемент и другие абразивные материалы. Кроме того, новая технология позволяет обходиться без кобальта — дорогого и дефицитного металла.
В ближайших планах ученых — продолжить эксперименты, чтобы найти идеальный баланс между размером зерна, плотностью и, как следствие, прочностью материала, а в дальнейшем — подготовить его к внедрению в реальное производство.
