Ученые из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Хабаровского Федерального исследовательского центра ДВО РАН (ХФИЦ ДВО РАН) создали технологию производства сверхпрочного карбида вольфрама. Как сообщила пресс-служба Минобрнауки РФ, этот материал отличается исключительной износостойкостью: его устойчивость к износу в 1,2−26 раз выше, чем у традиционных твердых сплавов, широко применяемых в современной промышленности.
Благодаря новым разработкам срок службы промышленного оборудования, например, буров и станков, может значительно увеличиться: детали будут изнашиваться гораздо медленнее, а значит, их придется реже заменять. Результаты исследования опубликованы в научном журнале International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.
Уже более ста лет в производстве высокопрочного инструмента используют твердые сплавы на основе карбида вольфрама. В структуре таких сплавов зерна карбида, которые обеспечивают твердость, соединены между собой металлической связкой — кобальтом. Он придает материалу вязкость, но при этом уступает в твердости абразивным частицам вроде песка или породы.
Во время эксплуатации связка постепенно разрушается и вымывается. Из‑за этого зерна карбида лишаются опоры и начинают выкрашиваться — в результате деталь быстро изнашивается.
Ученые с Дальнего Востока нашли способ решить эту проблему. Они отказались от использования кобальта в качестве связующего компонента и создали монолитную структуру из чистого карбида вольфрама. Для этого исследователи применили метод искрового плазменного спекания (SPS): они спрессовали наночастицы порошка — по размеру в 1000 раз тоньше человеческого волоса — в единое изделие. В ходе процесса материал нагревали до 2000∘C, а итоговая плотность изделия достигла 99,94%.
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.
Чтобы доказать превосходство новой технологии, ученые провели серию испытаний. Они сравнили три промышленных сплава с разным содержанием кобальта и три экспериментальных образца чистого карбида вольфрама, подвергая их микроабразивному износу — «шлифованию» специальными пастами с частицами разного размера и твердости.
Скорость износа наших образцов оказалась в разы ниже, чем у всех промышленных аналогов. Самый твердый из существующих сплавов изнашивался в 1,2 раза быстрее самого «мягкого» из наших новых материалов. 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.
Новый материал подходит для деталей, работающих в экстремальных условиях: бурового оборудования нефтегазовой и горнодобывающей отрасли, фильер для протяжки тонкой проволоки, прецизионных подшипников без смазки, а также деталей насосов, перекачивающих жидкости с песком, цементом и другими абразивными материалами.
Отказ от кобальта решает еще одну проблему: этот металл дорог и дефицитен, а его месторождения сосредоточены в политически нестабильных регионах. Новая технология снижает зависимость от его поставок.
Ученые планируют продолжить эксперименты, чтобы найти оптимальный баланс между размером зерна, плотностью и прочностью материала — и подготовить изобретение к внедрению в производство.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что в Сибири создали новые «скрученные» материалы для солнечной энергетики.
