Тверже стали: в России разработали сверхпрочное покрытие для деталей, работающих в экстремальных условиях

Представьте себе любой завод, буровую вышку или авиастроительное предприятие — везде есть оборудование, которое режет, точит, сверлит металл или бурит горную породу. Фрезы, сверла, резцы, буры, а также детали двигателей и турбин работают в экстремальных условиях: огромные скорости, трение, высокие температуры и агрессивные среды. Из-за этого они быстро изнашиваются и выходят из строя.

Чтобы инструмент служил дольше, его покрывают защитной пленкой. Однако современные материалы становятся все тверже, скорости обработки растут, и самые распространенные покрытия (например, на основе нитрида титана) уже не справляются.

Альтернативой устаревшим покрытиям может стать современное соединение ZrAlN, состоящее из циркония, алюминия и азота. У него сразу несколько ценных качеств: выдерживает экстремально высокие температуры, не разрушаясь, обладает высокой твердостью, поэтому надежно защищает инструмент от истирания. Устойчив к коррозии даже в агрессивных средах, при этом не боится резких перепадов температур: не трескается и не отслаивается при нагреве и охлаждении. А еще у него есть полезные электрические и оптические свойства, что делает его перспективным для высокотехнологичных отраслей. Нанесения этого покрытия стоит немного дороже, чем нитрида титана.

Сейчас это соединение еще остается малоизученным в России и мире, так как до сих пор непонятно, как именно нужно настраивать процесс напыления, чтобы покрытие получалось по-настоящему эффективным при сложных условиях эксплуатации.

Ученые ПНИПУ выяснили, как давление газа в камере и количество азота влияют на качество готового покрытия. Они провели серию экспериментов: наносили соединение при разном давлении и с разным содержанием азота, чтобы определить оптимальный режим напыления, при котором покрытие сочетает в себе сразу все нужные качества: высокую твердость, низкое трение, устойчивость к нагреву и надежное сцепление с инструментом. Исследование опубликовано в научном журнале «Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение».

Коронка ду-42, резцы рс-14, сверла и метчик для обработки резанием, сверло для нефтедобычи (перечисление от нижнего экспоната слева направо) / © А.Л. Каменева, пресс-служба ПНИПУ

Затем ученые проверили, насколько прочными и качественными получились образцы. Сначала изучили структуру покрытий: с помощью рентгеновского дифрактометра, электронного микроскопа и микрорентгеноспектрального анализатора посмотрели, из чего состоит соединение, как расположены кристаллы и есть ли в нем дефекты. Далее оценили механические свойства. Микротвердость измеряли вдавливанием алмазного наконечника. Чтобы понять, насколько прочно покрытие держится на инструменте, его царапали алмазной иглой с постоянно растущей нагрузкой и фиксировали максимальную силу, при которой появляются первые трещины и отслоения. Также определили глубину проникновения иглы, силу и коэффициент трения. В конце установили оптимальное давление и количество азота, при которых формируется соединение ZrAlN с лучшими свойствами, сопоставимыми с зарубежными аналогами.

— Оказалось, что от условий напыления — давления газа и содержания азота — зависят структура, твердость и прочность сцепления с инструментом. Например, когда азота было много (40%), соединение получилось хрупким, похожим на аморфное стекло: оно быстро трескалось и отслаивалось. А лучший результат показало напыление при низком содержании азота (всего 10%). Такое покрытие содержало рекордное количество алюминия, обладало микротвердостью почти 24 ГПа (это в разы тверже стали) и имело низкий коэффициент трения, благодаря чему инструмент меньше нагревается при работе. Но главное — оно продемонстрировало высокую прочность: даже под огромной нагрузкой покрытие не отслаивалось, а лишь истиралось. Чтобы пробить его до основы, потребовалось приложить силу более 70 ньютонов. Это нагрузка, соответствующая гире весом семь килограммов, сфокусированная на острие алмазной иглы — для тончайшего покрытия это очень высокий показатель, — Анна Каменева, доктор технических наук, профессор кафедры инновационных технологий машиностроения ПНИПУ.

Исследование ученых ПНИПУ позволит улучшить качество покрытий для режущего инструмента, деталей машин и резцов проходческих комбайнов, работающих в условиях высоких нагрузок и трения. А значит — продлить срок службы буров, фрез, сверл и других деталей, которые быстро изнашиваются. Это позволит реже менять вышедший из строя инструмент, быстрее обрабатывать детали и в итоге снизить затраты производства.